张正财等-JPCC：氢气-甲烷二元气体水合物生长的分子机理研究

       氢气被认为是最清洁的能源之一。但是，氢气贮存和输运过程中低温和高压的要求限制了它的使用。前人研究发现水合物是储存氢气的物质之一，为了降低生成氢气水合物的苛刻条件以及增加氢气水合物的稳定性，通常要在合成氢气水合物的过程中加入添加剂，如甲烷，四氢呋喃等。同时，甲烷和氢气均为能源物质，氢气-甲烷二元气体水合物的能量密度高于氢气-四氢呋喃二元水合物。因此，在分子水平上揭示氢气-甲烷二元气体水合物的生长机制有利于应用水合物高效储运能源物质。

       中科院地质地球所地球与行星物理院重点实验室的张正财博士后和郭光军研究员与加拿大卡尔加里大学PeterG. Kusalik教授开展合作研究，在一系列温度和压力条件下使用分子动力学模拟，研究了氢气-甲烷二元气体水合物在气体-溶液-水合物三相体系中（图1）的生长。

图1：模拟体系的初始结构。红色小球为水分子；青色小球为甲烷；紫色小球为氢气。水合物结构用球棍来表示

      模拟结果显示，甲烷是氢气-甲烷二元气体水合物生长的热力学促进剂，而氢气为此二元气体水合物生长的动力学促进剂；在50MPa下，氢气-甲烷二元气体水合物的生长在250K时最快（图2A）；保持温度恒定为250K时，水合物生长速率和压力成正相关（图2B）；气体组成、压力和温度都会影响生成水合物结构中客体分子的占有率，从而影响水合物的能量密度；溶液相中氢气和甲烷的浓度和扩散系数控制了氢气-甲烷二元气体水合物的生长过程，并且甲烷的作用更大。该研究极大地促进了人们对二元气体水合物形成过程的理解。

图2：氢气-甲烷二元气体水合物生长速率随温度（A）和压力（B）的变化

      以上研究成果近期发表在著名的美国化学学会期刊The Journal of Physical Chemistry C（Zhang et al. Molecular Insight into the Growth of Hydrogen and Methane Binary Hydrates, The Journal of Physical Chemistry C, 2018, 122: 7771-7778）。

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