Studi Dinamika Hidrogen dan Statika Struktur Hidrogen Hydrate

1.Abstract

Akan dilakukan studi terkait dinamika hidrogen di dalam Hidrogen Hydrate dan statika struktur host pada kondisi suhu rendah dan tinggi. Struktur yang akan dipelajari adalah struktur hidrogen hydrate yang mampu menampung hidrogen dengan perbandingan stoikiometri host-guest yang melampaui target DOE. Beberapa hasil eksperimen sebelumnya menunjukkan bahwa hidrogen hydrate dapat disimpan dengan jumlah yang cukup besar pada struktur Filled Ice Ic, Ice II, C0 dan sH pada kondisi tekanan dan temperatur yang tinggi. Hal ini juga didukung dengan hasil perhitungan secara teoritik yang menunjukkan daerah kestabilan termodinamika untuk struktur-struktur hidrogen hydrate tersebut. Kendala yang dihadapi untuk dapat diaplikasikan secara luas sebagai tempat penyimpanan hidrogen adalah kondisi termodinamika terbentuknya hydrate yang masih jauh di kondisi yang dapat diaplikasikan secara ekonomis. Pada suhu rendah dan tekanan ambient, beberapa hydrogen hydrate dapat disintesa namun memiliki kandungan hidrogen yang tidak terlalu besar. Untuk itu diperlukan studi lebih lanjut untuk dapat menemukan kombinasi terbaik agar kondisi sintesa dapat dicapai dalam rentang tekanan ambient dan suhu ruang serta memiliki kandungan hidrogen yang dapat melampaui target DOE. Mengingat akan hal ini, studi akan dilakukan dengan pendekatan model klasik bagi pemodelan struktur di kondisi mendekati suhu ruang dan tekanan tinggi serta pemodelan secara kuantum pada suhu rendah.

2.Keywords
Hidrogen hydrate, Filled ice, pemodelan klasik dan kuantum
3.Objective

Adapun tujuan yang akan dicapai dari penelitian ini adalah mendapatkan properti dinamika berupa difusi guest dan statika dari host pada struktur hydrogen hydrate dalam upaya memperoleh struktur hydrogen hydrate yang dapat disintesa pada suhu dan tekanan yang lebih praktikal serta konten energi yang melampaui target DOE. Struktur yang akan disimulasi, dievaluasi dan dianalisa adalah struktur-struktur hydrogen hydrate dengan stoichiometri host-guest berada di atas target DOE. Struktur tersebut antara lain filled Ice Ic, hydrogen hydrate C0 dan sH. Simulasi akan dilakukan pada kondisi termodinamika dimana efek quantum berpengaruh cukup signifikan bagi sistem filled Ice Ic dan hydrogen hydrate sH, sementara struktur C0 akan disimulasi dengan pendekatan klasik.

4.Methodology

Filled Ice Ic, II, C0 dan sH akan disimulasi pada daerah termodinamika dimana mereka dapat ditemukan stabil untuk waktu yang lama. Beberapa variasi stoikiometri host-guest, molekul pendamping dan kondisi termodinamika akan dianalisa. Dinamika struktur hydrate dan molekul hidrogen akan dipelajari untuk mendapatkan kombinasi optimal dalam upaya menerapkan struktur hidrogen hydrate ini sebagai material penyimpan hidrogen.

Mengingat pada kondisi suhu tinggi efek kuantum dapat diabaikan, pemodelan dengan menggunakan metode classical molecular dynamics akan dipilih untuk mempelajari dinamika guest yang terperangkap di dalam struktur host. Pemodelan ini sedikit lebih ringan jika ditinjau dari biaya komputasi yang harus dikeluarkan, sehingga memungkinkan untuk dilakukan untuk tinjauan difusi hidrogen pada rentang waktu yang cukup lama. Molekul air dengan model TIP4P/Ice akan digunakan untuk memodelkan struktur host, sementara molekul hidrogen didekati dengan model 3 (tiga) titik partikel. Program yang digunakan adalah LAMMPS.

Selain dilaporkan dapat disintesa pada suhu tinggi, beberapa struktur hidrogen hydrate dapat juga dihasilkan dari es yang amorf pada suhu rendah dan tekanan ambient. Pada kondisi ini, efek kuantum sangat signifikan sehingga sangat menentukan kondisi fisis yang dipelajari. Untuk memodelkan ini, program PIMD akan digunakan selama proses perhitungan. Model air yang akan digunakan pada struktur hydrate adalah q-TIP4P/F yang merupakan model air fleksibel. Seperti halnya di pemodelan klasik, model 3(tiga) titik partikel akan digunakan untuk memodelkan molekul hidrogen. Pada daerah ini, efek kuantum akan menjadi pembahasan utama. Hal ini mengingat di kondisi yang sama di struktur es hexagonal, dilaporkan bahwa efek kuantum sangat signifikan dibandingkan dengan model klasik yang digunakan.

5.Team

Yudha Arman
Bintoro Siswo Nugroho
Azrul Azwar
Boni P. Lapanporo

6.Computation plan (required processor core hours, data storage, software, etc)

Komputasi direncakan menggunakan 64 cores dengan estimasi waktu selama tiga bulan. Data storage yang akan diperlukan diperkirakan sebesar 1 TB. Perangkat lunak yang digunakan adalah LAMMPS dan PIMD.

7.Source of funding
Penelitian ini masih dibiayai secara mandiri oleh tim yang terlibat.
8.Target/outputs
The Journal of Chemical Physics
9.Date of usage
15/10/2018 - 21/01/2019
10.Gpu usage
-
11.Supporting files
prop_1536578662.pdf
12.Created at
10/09/2018
13.Approval status
approved