Structural refinement, optical and electrical properties of [Ba1-x Sm-2x/3](Zr0.05Ti0.95)O-3 ceramics

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Structural refinement, optical and ferroelectric properties of microcrystalline Ba(Zr0.05Ti0.95)O-3 perovskite

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Photodegradation of phenol red on a Ni-doped niobate/carbon composite

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Properties of nanoparticles prepared from NdFeB-based compound for magnetic hyperthermia application

Nanoparticles were prepared from a NdFeB-based alloy using the hydrogen decrepitation process together with high-energy ball milling and tested as heating agent for magnetic hyperthermia. In the milling time range evaluated (up to 10 h), the magnetic moment per mass at H = 1.59 MA m(-1) is superior than 70 A m(2) kg(-1); however, the intrinsic coercivity might be inferior than 20 kA m(-1). The material presents both ferromagnetic and superparamagnetic particles constituted by a mixture of phases due to the incomplete disproportionation reaction of Nd2Fe14BHx during milling. Solutions prepared with deionized water and magnetic particles exposed to an AC magnetic field (H-max similar to 3.7 kA m(-1) and f = 228 kHz) exhibited 26 K <= Delta T-max <= 44 K with a maximum estimated specific absorption rate (SAR) of 225 W kg(-1). For the pure magnetic material milled for the longest period of time (10 h), the SAR was estimated as similar to 2500 W kg(-1). In vitro tests indicated that the powders have acceptable cytotoxicity over a wide range of concentration (0.1-100 mu g ml(-1)) due to the coating applied during milling.

Kinetics of thermal decomposition of niobium hydride

High-purity niobium powders can be obtained from the well-known hydride-dehydride (HDH) process. The aim of this work was the investigation of the structural phase transition of the niobium hydride to niobium metal as function of temperature, heating rate and time. The niobium powder used in this work was obtained by high-temperature hydriding of niobium machining chips followed by conventional ball milling and sieving. X-ray diffraction measurements were carried out in vacuum using a high-temperature chamber coupled to an X-ray diffractometer. During the dehydriding process, it is possible to follow the phase transition from niobium hydride to niobium metal starting at about 380 degrees C for a heating rate of 20 degrees C/min. The heating rate was found to be an important parameter, since complete dehydriding was obtained at 490 degrees C for a heating rate of 20 degrees C/min. The higher dehydriding rate was found at 500 degrees C. Results contribute to a better understanding of the kinetics of thermal decomposition of niobium hydride to niobium metal. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

I materiali ceramici trasparenti: preparazione, caratterizzazione e correlazione microstruttura-proprietà

This thesis focuses on the ceramic process for the production of optical grade transparent materials to be used as laser hosts. In order to be transparent a ceramic material must exhibit a very low concentration of defects. Defects are mainly represented by secondary or grain boundary phases and by residual pores. The strict control of the stoichiometry is mandatory to avoid the formation of secondary phases, whereas residual pores need to be below 150 ppm. In order to fulfill these requirements specific experimental conditions must be combined together. In addition powders need to be nanometric or at least sub-micrometric and extremely pure. On the other hand, nanometric powders aggregate easily and this leads to a poor, not homogeneous packing during shaping by pressing and to the formation of residual pores during sintering. Very fine powders are also difficult to handle and tend to absorb water on the surface. Finally, the powder manipulation (weighting operations, solvent removal, spray drying, shaping, etc), easily introduces impurities. All these features must be fully controlled in order to avoid the formation of defects that work as scattering sources thus decreasing the transparency of the material. The important role played by the processing on the transparency of ceramic materials is often underestimated. In the literature a high level of transparency has been reported by many authors but the description of the experimental process, in particular of the powder treatment and shaping, is seldom extensively described and important information that are necessary to reproduce the described results are often missing. The main goal of the present study therefore is to give additional information on the way the experimental features affect the microstructural evolution of YAG-based ceramics and thus the final properties, in particular transparency. Commercial powders are used to prepare YAG materials doped with Nd or Yb by reactive sintering under high vacuum. These dopants have been selected as the more appropriate for high energy and high peak power lasers. As far as it concerns the powder treatment, the thesis focuses on the influence of the solvent removal technique (rotavapor versus spray drying of suspensions in ethanol), the ball milling duration and speed, suspension concentration, solvent ratio, type and amount of dispersant. The influence of the powder type and process on the powder packing as well as the pressure conditions during shaping by pressing are also described. Finally calcination, sintering under high vacuum and in clean atmosphere, and post sintering cycles are studied and related to the final microstructure analyzed by SEM-EDS and HR-TEM, and to the optical and laser properties.

Effetto dell'addizione di fibre corte di carbonio su microstruttura e proprietà di materiali a base di ZrB2

Il lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR, Faenza, RA), ha affrontato la produzione e la caratterizzazione di ceramici a base di boruro di zirconio (ZrB2) con lo scopo di valutare l’efficacia delle fibre corte di carbonio come potenziale rinforzo. Il boruro di zirconio appartiene a una famiglia di materiali noti come UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) caratterizzati da elevato punto di fusione e in grado di mantenere la resistenza meccanica e operare con limitata ossidazione a temperature superiori ai 2000°C. Il principale ostacolo nella produzione dei materiali a base di ZrB2 è il processo di sintesi, infatti, a causa della loro elevata temperatura di fusione, per ottenere un materiale completamente denso è necessario utilizzare processi a temperatura e pressione elevati (T > 2000°C e P > 30 MPa), condizioni che vanno ad influenzare la microstruttura della matrice e delle fibre e di conseguenza le proprietà meccaniche del materiale. L’aggiunta di additivi di sinterizzazione idonei permette di ottenere materiali perfettamente densi anche a temperature e pressioni inferiori. Tuttavia lo ZrB2 non viene ampiamente utilizzato per applicazioni strutturali a causa della sua fragilità, per far fronte alla sua bassa tenacità il materiale viene spesso rinforzato con una fase allungata (whiskers o fibre). È già oggetto di studi l’utilizzo di fibre corte e whiskers di SiC per tenacizzare lo ZrB2, tuttavia la forte interfaccia che viene a crearsi tra fibra e matrice, che non permette il pull-out delle fibre, ci porta a credere che una fibra che non tenda a reagire con la matrice, presentando un’interfaccia più debole, possa portare ad una tenacizzazione più efficace. Per questo scopo sono stati realizzati mediante pressatura a caldo due materiali rinforzati con fibre corte di carbonio: ZrB2 + 5% vol MoSi2 + 8% vol fibre di carbonio e [ZrB2 + 2 % peso C] + 8% vol fibre di carbonio, indicati rispettivamente con Z5M_Cf e Z2C_Cf. Sono stati analizzati e discussi diversi aspetti del materiale rinforzato tra cui: il comportamento di densificazione durante la pressatura a caldo, l’evoluzione della microstruttura della matrice, la distribuzione e la morfologia delle fibre, l’influenza del rinforzo sulle proprietà meccaniche di durezza e tenacità e sulla resistenza all’ossidazione. L’elaborato è strutturato come segue: inizialmente sono state introdotte le caratteristiche generali dei ceramici avanzati tra cui le proprietà, la produzione e le applicazioni; successivamente è stata approfondita la descrizione dei materiali a base di boruro di zirconio, in particolare i processi produttivi e l’influenza degli additivi di sinterizzazione sulla densificazione e sulle proprietà; ci si è poi concentrati sull’effetto di una seconda fase allungata per il rinforzo del composito. Per quanto riguarda la parte sperimentale vengono descritte le principali fasi della preparazione e caratterizzazione dei materiali: le materie prime, disperse in un solvente, sono state miscelate mediante ball-milling, successivamente è stato evaporato il solvente e la polvere ottenuta è stata formata mediante pressatura uniassiale. I campioni, dopo essere stati sinterizzati mediante pressatura uniassiale a caldo, sono stati tagliati e lucidati a specchio per poter osservare la microstruttura. Quest’ultima è stata analizzata al SEM per studiare l’effetto dell’additivo di sinterizzazione (MoSi2 e carbonio) e l’interfaccia tra matrice e fase rinforzante. Per approfondire l’effetto del rinforzo sulle proprietà meccaniche sono state misurate la durezza e la tenacità del composito; infine è stata valutata la resistenza all’ossidazione mediante prove in aria a 1200°C e 1500°C. L’addizione di MoSi2 ha favorito la densificazione a 1800°C mediante formazione di una fase liquida transiente, tuttavia il materiale è caratterizzato da una porosità residua di ~ 7% vol. L’addizione del carbonio ha favorito la densificazione completa a 1900°C grazie alla reazione dall’additivo con gli ossidi superficiali dello ZrB2. La microstruttura delle matrici è piuttosto fine, con una dimensione media dei grani di ~ 2 μm per entrambi i materiali. Nel caso del materiale con Z5M_Cf sono presenti nella matrice particelle di SiC e fasi MoB derivanti dalla reazione dell’additivo con le fibre e con la matrice; invece nel materiale Z2C_Cf sono presenti grani di carbonio allungati tra i bordi grano, residui delle reazioni di densificazione. In entrambi i materiali le fibre sono distribuite omogeneamente e la loro interfaccia con la matrice è fortemente reattiva. Nel caso del materiale Z5M_Cf si è formata una struttura core-shell con lo strato più esterno formato da SiC, formato dalla reazione tra il siliciuro e la fibra di C. Nel caso del materiale Z2C_Cf non si forma una vera e propria interfaccia, ma la fibra risulta fortemente consumata per via dell’alta temperatura di sinterizzazione. I valori di durezza Vickers dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf sono rispettivamente 11 GPa e 14 GPa, valori inferiori rispetto al valore di riferimento di 23 GPa dello ZrB2, ma giustificati dalla presenza di una fase meno dura: le fibre di carbonio e, nel caso di Z5M_Cf, anche della porosità residua. I valori di tenacità dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf, misurati con il metodo dell’indentazione, sono rispettivamente 3.06 MPa·m0.5 e 3.19 MPa·m0.5. L’osservazione, per entrambi i materiali, del fenomeno di pull-out della fibra, sulla superficie di frattura, e della deviazione del percorso della cricca, all’interno della fibra di carbonio, lasciano supporre che siano attivi questi meccanismi tenacizzanti a contributo positivo, unitamente al contributo negativo legato allo stress residuo. La resistenza all’ossidazione dei due materiali è confrontabile a 1200°C, mentre dopo esposizione a 1500°C il materiale Z5M_Cf risulta più resistente rispetto al materiale Z2C_Cf grazie alla formazione di uno strato di SiO2 protettivo, che inibisce la diffusione dell’ossigeno all’interno della matrice. Successivamente, sono stati considerati metodi per migliorare la densità finale del materiale e abbassare ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo da minimizzare la degenerazione della fibra. Da ricerca bibliografica è stato identificato il siliciuro di tantalio (TaSi2) come potenziale candidato. Pertanto è stato prodotto un terzo materiale a base di ZrB2 + Cf contenente una maggiore quantità di siliciuro (10% vol TaSi2) che ha portato ad una densità relativa del 96% a 1750°C. Questo studio ha permesso di approcciare per la prima volta le problematiche legate all’introduzione delle fibre di carbonio nella matrice di ZrB2. Investigazioni future saranno mirate alla termodinamica delle reazioni che hanno luogo in sinterizzazione per poter analizzare in maniera più sistematica la reattività delle fibre nei confronti della matrice e degli additivi. Inoltre riuscendo ad ottenere un materiale completamente denso e con fibre di carbonio poco reagite si potrà valutare la reale efficacia delle fibre di carbonio come possibili fasi tenacizzanti.

Idrolisi diretta di cellulosa e lignocellulosa in catalisi eterogenea

This work deals with a comparison of the catalytic behavior of several heterogeneous acid catalysts in the direct hydrolysis of an untreated softwood dust. Amongst the various catalysts investigated, some were characterized by relatively high yield to monosaccharides, such as a Zirconium phosphate and the reference Amberlyst 15. Conversely, some catalyst types, ie, Sn/W mixed oxide and Zirconia-grafted trifluoromethanesulphonic acid, were selective into glucose, since sugars derived from hemicellulose dissolution and hydrolysis were rapidly degraded. A detailed analysis of the reactivity of Zr/P/O was pursued, in the hydrolysis of both untreated and ball-milled microcrystalline cellulose; at 150°C and 3h reaction time, the catalyst gave high selectivity to glucose, with negligible formation of 5-hydroxymethylfurfural, and moderate cellulose conversion. After ball-milling of the cellulose, a remarkable increase of conversion was achieved, still with a high selectivity to glucose and very low formation of degradation compounds. The catalyst showed high affinity for β-1,4-glucans, as demonstrated by the activity in cellobiose hydrolysis into glucose.

Thermoelectric performance of p-type TiCoSb half-Heusler compounds - Intrinsic phase separation and charge carrier concentration optimization as key to high efficiency

The world's rising demand of energy turns the development of sustainable and more efficient technologies for energy production and storage into an inevitable task. Thermoelectric generators, composed of pairs of n-type and p-type semiconducting materials, di¬rectly transform waste heat into useful electricity. The efficiency of a thermoelectric mate¬rial depends on its electronic and lattice properties, summarized in its figure of merit ZT. Desirable are high electrical conductivity and Seebeck coefficients, and low thermal con¬ductivity. Half-Heusler materials are very promising candidates for thermoelectric applications in the medium¬ temperature range such as in industrial and automotive waste heat recovery. The advantage of Heusler compounds are excellent electronic properties and high thermal and mechanical stability, as well as their low toxicity and elemental abundance. Thus, the main obstacle to further enhance their thermoelectric performance is their relatively high thermal conductivity.rn rnIn this work, the thermoelectric properties of the p-type material (Ti/Zr/Hf)CoSb1-xSnx were optimized in a multistep process. The concept of an intrinsic phase separation has recently become a focus of research in the compatible n-type (Ti/Zr/Hf)NiSn system to achieve low thermal conductivities and boost the TE performance. This concept is successfully transferred to the TiCoSb system. The phase separation approach can form a significant alternative to the previous nanostructuring approach via ball milling and hot pressing, saving pro¬cessing time, energy consumption and increasing the thermoelectric efficiency. A fundamental concept to tune the performance of thermoelectric materials is charge carrier concentration optimization. The optimum carrier concentration is reached with a substitution level for Sn of x = 0.15, enhancing the ZT about 40% compared to previous state-of-the-art samples with x = 0.2. The TE performance can be enhanced further by a fine-tuning of the Ti-to-Hf ratio. A correlation of the microstructure and the thermoelectric properties is observed and a record figure of merit ZT = 1.2 at 710°C was reached with the composition Ti0.25Hf0.75CoSb0.85Sn0.15.rnTowards application, the long term stability of the material under actual conditions of operation are an important issue. The impact of such a heat treatment on the structural and thermoelectric properties is investigated. Particularly, the best and most reliable performance is achieved in Ti0.5Hf0.5CoSb0.85Sn0.15, which reached a maximum ZT of 1.1 at 700°C. The intrinsic phase separation and resulting microstructure is stable even after 500 heating and cooling cycles.

SOLUTE-DERIVED THERMAL STABILITY OF NANOCRYSTALLINE ALUMINUM AND PROCESSING FACTOR INFLUENCE ON THE FORMATION OF AL6MN QUASICRYSTALS IN MELT-SPINNING

Thermal stability of nanograined metals can be difficult to attain due to the large driving force for grain growth that arises from the significant boundary area constituted by the nanostructure. Kinetic approaches for stabilization of the nanostructure effective at low homologous temperatures often fail at higher homologous temperatures. Thermodynamic approaches for thermal stabilization may offer higher temperature stability. In this research, modest alloying of aluminum with solute (1 at.% Sc, Yb, or Sr) was examined as a means to thermodynamically stabilize a bulk nanostructure at elevated temperatures. After using melt-spinning and ball-milling to create an extended solid-solution and nanostructure with average grain size on the order of 30-45 nm, 1 h annealing treatments at 673 K (0.72 Tm) , 773 K (0.83 Tm) , and 873 K (0.94 Tm) were applied. The alloys remain nanocrystalline (<100 nm) as measured by Warren-Averbach Fourier analysis of x-ray diffraction peaks and direct observation of TEM dark field micrographs, with the efficacy of stabilization: Sr>Yb>Sc. Disappearance of intermetallic phases in the Sr and Yb alloys in the x-ray diffraction spectra are observed to occur coincident with the stabilization after annealing, suggesting that precipitates dissolve and the boundaries are enriched with solute. Melt-spinning has also been shown to be an effective process to produce a class of ordered, but non-periodic crystals called quasicrystals. However, many of the factors related to the creation of the quasicrystals through melt-spinning are not optimized for specific chemistries and alloy systems. In a related but separate aspect of this research, meltspinning was utilized to create metastable quasicrystalline Al6Mn in an α-Al matrix through rapid solidification of Al-8Mn (by mol) and Al-10Mn (by mol) alloys. Wheel speed of the melt-spinning wheel and orifice diameter of the tube reservoir were varied to determine their effect on the resulting volume proportions of the resultant phases using integrated areas of collected x-ray diffraction spectra. The data were then used to extrapolate parameters for the Al-10Mn alloy which consistently produced Al6Mn quasicrystal with almost complete suppression of the equilibrium Al6Mn orthorhombic phase.

Otimização do método lignina brometo de acetila na determinação do teor de lignina em plantas forrageiras e comparação com os métodos lignina detergente ácido e lignina Klason

Técnicas analíticas empregadas para a quantificação do teor de lignina em plantas forrageiras, atualmente em uso, são questionáveis quanto às suas acurácias. O método lignina detergente ácido (LDA), que é um dos métodos mais utilizado em Ciência Animal e Agronomia, apresenta algumas falhas, particularmente devido à parcial solubilização da lignina durante a preparação da fibra em detergente ácido (FDA). A lignina Klason (LK), outro método muito usado, apresenta o inconveniente de mensurar a proteína da parede celular como sendo lignina. Em ambos os procedimentos recomenda-se também mensurar cinzas nos resíduos de lignina. A quantificação da concentração de lignina pelo método espectrofotométrico lignina brometo de acetila (LBA) vem ganhando interesse de pesquisadores no Brasil e no exterior. Nesta metodologia, a lignina da planta contida na preparação parede celular (PC) é solubilizada numa solução a 25% de brometo de acetila em ácido acético e a absorbância mensurada é com luz UV a 280 nm. O valor da absorbância é inserido numa equação de regressão e a concentração de lignina é obtida. Para que esta técnica analítica seja mais aceita pelos pesquisadores, ela deve ser, obviamente, convincente e atrativa. O presente trabalho analisou alguns parâmetros relacionados à LBA em 7 gramíneas e 6 leguminosas, em dois estádios de maturidade. Dentre as diferentes temperaturas de pré-secagem, os resultados indicaram que os procedimentos de 55°C com ventilação e liofilização podem ser utilizados com a mesma eficácia. As temperaturas de 55°C sem ventilação e 80°C sem ventilação não são recomendadas, pois aumentaram os valores de FDA e LDA, possivelmente devido ao surgimento de artefatos de técnica como os compostos de Maillard. No método LBA os valores menores das amostras de leguminosas chamaram a atenção e colocaram em questão se a lignina destas plantas seria menos solúvel no reagente brometo de acetila. Dentre algumas alterações na metodologia da técnica LBA, a utilização do moinho de bolas (para diminuir o tamanho particular) nas amostras de PC não mostrou efeito; a hipótese era melhorar a solubilização da lignina usando partículas menores. O uso de um ultrasonicador, que aumenta a vibração das moléculas e assim, facilitaria a solubilização da lignina no reagente brometo de acetila, melhorou a solubilização da lignina em cerca de 10%, tanto nas gramíneas como nas leguminosas. Foi acoplado um ensaio biológico como referência, a degradabilidade in vitro da matéria seca (DIVMS); e como a lignina está intimamente associada à estrutura fibrosa da parede celular, também foi feito um ensaio de degradabilidade in vitro da fibra em detergente neutro (DIVFDN). Os resultados confirmaram o efeito da maturidade, reduzindo a degradabilidade nas plantas mais maduras, e que o teor de lignina de leguminosas é realmente inferior ao de gramíneas. Os resultados de degradabilidade apresentaram coeficientes de correlação mais elevados com o método LBA, quando foi empregada a técnica do ultrasom; o método LK mostrou os menores coeficientes. Também testou-se, com sucesso, a utilização da FDN, como preparação fibrosa, ao invés de PC. A razão é simples: enquanto que a FDN é amplamente conhecida, a preparação PC não o é. Inquestionável que esta manobra facilitará substancialmente a divulgação desse método, tornando-a mais aceitável pela comunidade científica

Solvent-Free Enantioselective Organocatalyzed Aldol Reactions

The use of proline as catalyst for the aldol process has given a boost to the development of organocatalysis as a research area. Since then, a plethora of organocatalysts of diverse structures have been developed for this and other organic transformations under different reaction conditions. The use of an organic molecule as catalyst to promote a reaction meets several principles of Green Chemistry. The implementation of solvent-free methodologies to carry out the aldol reaction was soon envisaged. These solvent-free processes can be performed using conventional magnetic stirring or applying ball milling techniques and are even compatible with the use of supported organocatalysts as promoters, which allows the recovery and reuse of the organocatalysts. In addition, other advantages such as the reduction of the required amount of nucleophile and the acceleration of the reaction are accomplished by using solvent-free conditions leading to a “greener” and more sustainable process.

Production and Electrical Characterization of Low Density Polyethylene-based Micro- and Nano-dielectrics containing Graphene Oxide, Functionalized Graphene and Carbon Black additives

Oggigiorno la ricerca di nuovi materiali per gradatori di campo da impiegarsi in accessori di cavi ha iniziato a studiare alcuni materiali nano dielettrici con proprietà elettriche non lineari con la tensione ed aventi proprietà migliorate rispetto al materiale base. Per questo motivo in questo elaborato si sono studiati materiali nanostrutturati a base di polietilene a bassa densità (LDPE) contenenti nano polveri di grafene funzionalizzato (G*), ossido di grafene (GO) e carbon black (CB). Il primo obiettivo è stato quello di selezionare e ottimizzare i metodi di fabbricazione dei provini. La procedura di produzione è suddivisa in due parti. Nella prima parte è stata utilizzatala tecnica del ball-milling, mentre nella seconda un pressa termica (thermal pressing). Mediante la spettroscopia dielettrica a banda larga (BDS) si sono misurate le componenti reali e immaginarie della permettività e il modulo della conducibilità del materiale, in tensione alternata. Il miglioramento delle proprietà rispetto al provino di base composto dal solo polietilene si sono ottenute quando il quantitativo delle nanopolveri era maggiore. Le misure sono state effettuate sia a 3 V che a 1 kV. Attraverso misurazioni di termogravimetria (TGA) si è osservato l’aumento della resistenza termica di tutti i provini, soprattutto nel caso quando la % di nanopolveri è maggiore. Per i provini LDPE + 0.3 wt% GO e LDPE + 0.3 wt% G* si è misurata la resistenza alle scariche parziali attraverso la valutazione dell’erosione superficiale dei provini. Per il provino contenente G* è stato registrato una diminuzione del 22% del volume eroso, rispetto al materiale base, mentre per quello contenente GO non vi sono state variazioni significative. Infine si è ricercata la resistenza al breakdown di questi ultimi tre provini sopra citati. Per la caratterizzazione si è fatto uso della distribuzione di Weibull. Lo scale parameter α risulta aumentare solo per il provino LDPE + 0.3 wt% G*.

Catalytic effects of subsurface carbon in the chemisorption of hydrogen on a Mg(0001) surface: an ab-initio study

Ab initio density functional theory (DFT) calculations are performed to explore possible catalytic effects on the dissociative chemisorption of hydrogen on a Mg(0001) surface when carbon is incorporated into Mg materials. The computational results imply that a C atom located initially on a Mg(0001) surface can migrate into the subsurface and occupy an fcc interstitial site, with charge transfer to the C atom from neighboring Mg atoms. The effect of subsurface C on the dissociation of H-2 on the Mg(0001) surface is found to be relatively marginal: a perfect sublayer of interstitial C is calculated to lower the barrier by 0.16 eV compared with that on a pure Mg(0001) surface. Further calculations reveal, however, that sublayer C may have a significant effect in enhancing the diffusion of atomic hydrogen into the sublayers through fcc channels. This contributes new physical understanding toward rationalizing the experimentally observed improvement in absorption kinetics of H2 when graphite or single walled carbon nanotubes (SWCNT) are introduced into the Mg powder during ball milling.

Optimum conditions for adsorptive storage

The storage of gases in porous adsorbents, such as activated carbon and carbon nanotubes, is examined here thermodynamically from a systems viewpoint, considering the entire adsorption-desorption cycle. The results provide concrete objective criteria to guide the search for the Holy Grail adsorbent, for which the adsorptive delivery is maximized. It is shown that, for ambient temperature storage of hydrogen and delivery between 30 and 1.5 bar pressure, for the optimum adsorbent the adsorption enthalpy change is 15.1 kJ/mol. For carbons, for which the average enthalpy change is typically 5.8 kJ/mol, an optimum operating temperature of about 115 K is predicted. For methane, an optimum enthalpy change of 18.8 kJ/mol is found, with the optimum temperature for carbons being 254 K. It is also demonstrated that for maximum delivery of the gas the optimum adsorbent must be homogeneous, and that introduction of heterogeneity, such as by ball milling, irradiation, and other means, can only provide small increases in physisorption-related delivery for hydrogen. For methane, heterogeneity is always detrimental, at any value of average adsorption enthalpy change. These results are confirmed with the help of experimental data from the literature, as well as extensive Monte Carlo simulations conducted here using slit pore models of activated carbons as well as atomistic models of carbon nanotubes. The simulations also demonstrate that carbon nanotubes offer little or no advantage over activated carbons in terms of enhanced delivery, when used as storage media for either hydrogen or methane.