《彈性受限空間中氣體水合物的成核機理研究》是依託北京工商大學，由白冬生擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：彈性受限空間中氣體水合物的成核機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：白冬生
- 依託單位：北京工商大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
天然氣水合物是21世紀重要的新能源，水合物在多孔材料中的形成是多孔材料在儲能方面的又一潛在套用。以MOF為主的多孔材料因其超強的彈性有望實現水合物法的高能量密度存儲。本項目採用分子模擬方法研究水合物在彈性受限空間中的成核與相變機理。主要研究內容有：（1）彈性層狀結構間隙內水合物的成核相變機理；（2）彈性孔狀結構內水合物的成核相變機理；（3）彈性材料的拓撲性質、物理化學性質對水合物成核的影響。本項目選擇水合物和彈性多孔材料為研究對象，並將二者有機地結合，在選題上具有前沿性和針對性；採用分子模擬方法考慮能源化工和材料領域熱門問題的基礎性研究，在研究內容上具有多學科交叉與滲透性；同時進行量子力學、分子動力學、粗粒化分子動力學等多尺度模擬，在研究方法上具有先進性和新穎性。本項目將建立水合物在彈性受限空間中成核相變的動力學模型，揭示其成核動力學與材料性質之間的關係，促進MOF等新材料在能源化工領域的套用。
結題摘要
氣體水合物可以在固體多孔材料中生成，而彈性多孔材料可以強化水合物的生成過程，進而有望實現水合物法的高氣體密度存儲。本項目採用分子動力學模擬方法，研究了水合物在彈性受限空間中的成核與相變機理。具體研究內容及成果包括：（1）彈性層狀SiO2間隙對水合物的影響。通過考察不同彈性強度的SiO2層隙對水合物成核機理的影響，發現水分子層的結構化遵循多點成核特徵，且成核過程涉及“偽籠”的出現及演化，層板間距直接影響水合物相的結構，而層板彈性則影響水合物的成核誘導時間。（2）乾水體系內氣體吸附及水合物的生成動力學。通過考察具有“軟物質”特性的乾水對氣體的吸附動力學，發現粉體顆粒越小，乾水的吸附速率越快，飽和吸附量越小，但仍比純水高至少一個數量級。（3）固體表面性質對水合物成核的影響。通過考察具有不同親水性和不同結晶度的SiO2固體對水合物成核的影響，發現親水性可以影響成核機理，隨表面親水性的減弱，水合物的成核從三步機理退化為兩步，且成核誘導時間減少；而表面結晶度主要影響水合物的結晶度，晶態SiO2表面生成的水合物更有序。（4）水合物分解過程中的自保護效應。通過採用NVT/E聯合分子動力學方法考察水合物的熔化過程，發現水合物的熔化界面存在分形特徵，水合物的熔化、凍的生成、CH4的擴散受傳熱阻力和傳質阻力的共同制約，且二者存在耦合作用。本項目通過分子模擬和實驗研究，建立了氣體水合物在彈性受限空間中成核與相變的動力學模型，揭示了水合物成核動力學與材料性質之間關係的科學規律，為促進彈性材料在能源化工領域的實際套用，以及儲能新材料的設計提供了理論依據。
