《二氧化碳水合物結晶行為統計力學研究》是依託北京化工大學，由密建國擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：二氧化碳水合物結晶行為統計力學研究
- 依託單位：北京化工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：密建國
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
晶體成核在界面理論和成核理論中占有重要的地位，本項目旨在建立分子層面的液-固界面成核理論，以CO2水合物結晶為主要研究對象。最佳化研究方案後，首先研究凍的結晶成核，重點是構建冰和水的密度泛函表達式，充分考慮體系內各種相互作用和分子的空間構型，以及凍的六方型柱狀晶胞內晶格點陣，採用密度泛函的方法計算液固相平衡和表面張力，用實驗值檢驗理論模型的準確性；採用檢驗後的模型研究凍的結晶成核及生長。在此基礎上研究CO2水合物結晶，重點是通過計算CO2在晶胞內的密度分布得到吸附量，由此建立相平衡計算方法；通過對水合物晶胞內的次級晶胞進行粗粒化，以體心立方的晶格結構建立晶體與溶液界面的密度泛函，預測其表面張力，並運用本項目實驗測定的表面張力檢驗理論模型的準確性；考慮CO2的擴散係數和水流動產生的粘滯力，建立相對完善的動力學密度泛函理論，系統研究CO2水合物晶體成核及生長過程，從分子層面解釋成核機理。
結題摘要
項目負責人長期從事密度泛函理論（DFT）和動力學密度泛函理論（DDFT）的基礎研究工作，嘗試建立一套能適用於複雜體系的熱力學和動力學耦合模型，從分子層面闡明複雜體系內結構和性質產生的微觀機理，特別是流體與材料界面結構和性質的微觀機理，為開發新材料提供理論指導。本項目是整個理論建模過程中的重要一環，意圖建立氫鍵締合的自由能泛函表達和氫鍵取向與晶格有序結構之間的直接關聯，將DFT和DDFT的套用到拓展到含氫鍵的流體及晶體體系。 本項目主要研究內容包括：①考慮氫鍵締合方式及強度、冰和水合物結晶過程中的氫鍵取向，基於通用的分子力場冰和晶格點陣張量、粘滯力等構建相應的自由能泛函，為研究冰結晶和水合物形成打下堅實理論基礎；②套用DFT論模型，研究冰-水體系的熱力學平衡、冰-水界面結構和性質、冰結晶成核能壘等，通過分子模擬和實驗數據檢驗理論模型的定量可靠性；③研究水合物-溶液的相平衡、水合物晶體結構、界面結構、界面能量及結晶成核等熱力學性質，並通過相應的實驗數據檢驗模型的預測精度；④套用DDFT模型，展示冰和水合物的生長過程、實現結晶和玻璃化轉變過程中熱力學平衡與動力學非平衡的耦合；⑤開展CO2與聚合物體系的熱力學和動力學研究，使DFT和DDFT適用範圍更廣泛，使整個理論體系更加完善。 本項目所取得的重要結果包括：①經過充分的檢驗證明，本項目所構築的關於氫鍵締合和氫鍵取向的徑向分布函式和直接相關函式能客觀反映流體和晶體的微觀結構信息，構建的自由能泛函能較為準確的預測含氫鍵體系的各種熱力學和動力學性質，為發展DFT和DDFT理論補充了一個關鍵的環節。理論預測的關鍵熱力學和動力學數據包括：冰-水的界面張力、CO2水合物-CO2溶液界面張力、冰晶體的成核能壘、CO2水合物的成核能壘、水的玻璃化溫度、冰和水合物晶體生長速度等。這些關鍵結構和數據，對發展統計力學理論具有重要意義
