畸形钙钛矿DyMnO_3电子结构与光学性质的第一性原理研究（英文）

基于密度泛函理论的广义梯度近似对畸形钙钛矿DyMnO_3的基态电子结构及光学性质进行计算和分析.结果表明优化的晶体结构参数与实验结果相符合,DyMnO_3具有非间接带隙大小为0.91 e V的能带结构,结合态密度分析了各元素价电子态的分布.计算分析包括介电常数,吸收系数,反射率等光学性质.     

畸形钙钛矿DyMnO3电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似对畸形钙钛矿DyMnO₃的基态电子结构及光学性质进行计算和分析.结果表明优化的晶体结构参数与实验结果相符合,DyMnO₃具有非间接带隙大小为0.91 eV的能带结构,结合态密度分析了各元素价电子态的分布.计算分析包括介电常数,吸收系数,反射率等光学性质.     

显微激光拉曼光谱测定甲烷水合物的水合指数

甲烷水合物是由甲烷气体分子与水分子在低温高压下形成的一种笼型结构化合物,广泛存在于海底陆架区和陆地冻土区,被认为是一种潜在的能源资源。在水合物的晶格中,水分子在氢键的作用下形成大小不同的笼子,甲烷分子可分别进入大笼(51262)和小笼(512)中。在自行研制的实验装置上,分别合成了一系列不同体系下的甲烷水合物,包括十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液-甲烷体系、冰粉-甲烷体系以及冰粉-不同粒度砂-甲烷体系。对这些甲烷水合物样品进行了激光拉曼光谱分析,测定了其水合指数,笼占有率等结构参数。结果表明,这些甲烷水合物都为Ⅰ型结构,其水合指数和笼占有率基本不受沉积物粒径大小的影响。在3种体系中生成的水合物,大笼中甲烷分子基本占满,占有率大于97%;小笼中甲烷分子占有率为80%～86%,测得的水合指数为6.05～6.15。     

Cu、Zn掺杂对AlSb电子结构和光学性质影响

运用密度泛函平面波赝势方法和广义梯度近似,对替代式掺杂Cu和Zn的闪锌矿AlSb的超晶胞晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算。分析了其电子态分布和结构的关系,给出了掺杂前后AlSb体系的复介电常数和复折射函数。结果表明,掺有Cu和Zn的AlSb晶体空穴密度增大,会明显提高材料的电导率;两种掺杂体系光学带隙均变窄;通过分析掺杂前后AlSb晶体的复介电常数和复折射函数,解释了体系的发光机制。     

SⅡ型R134a水合物稳定性的分子动力学模拟北大核心

SⅡ型R134a制冷剂笼状水合物是理想的蓄冷介质之一。基于分子动力学(MD)方法,建立晶体结构模型,在NPT系综下运算,通过观察最终构象,分析计算体系中粒子的均方位移(MSD)和径向分布函数(RDF),从微观上揭示了小分子和温度对SⅡ型水合物晶体结构稳定性的影响。结果表明:小分子对小晶穴(512)占有率从0.25变化到1.00,占有率为0.25和0.50时,水合物晶体结构分解严重,体系中分子混乱,晶体结构难以稳定存在,占有率在0.75以上时,水合物晶体结构清晰有序,能够稳定存在;当体系温度由260K增大到290K时,水合物结构的稳定性逐渐降低,在280K时晶体结构出现扭曲变形,此时有部分水合物开始分解。     

CH_4-CO_2混合气体水合物在NaCl溶液中生成过程

本实验着重研究了纯水、质量分数为3.4%和5.0%的NaCl溶液中,甲烷-二氧化碳混合气体水合物的生长速率以及气体在水合物相中分布规律。研究结果表明水合物生成过程中对甲烷和二氧化碳的吸收存在一定的选择性。二氧化碳在水合物晶核生长初期更容易被捕获,表明二氧化碳更易于占据水合物中大笼,同时有利于稳定水合物的晶体结构。NaCl的存在提高了水合物三相平衡压力,降低了水合物的气体消耗总量。随着溶液中初始盐浓度的提高,水合物生长初期对二氧化碳的选择性吸收得到了强化。表明溶液中NaCl浓度的上升提高了水合物晶核的不稳定性同时抑制了晶核生成。因此,NaCl对水合物的生长过程具有一定的抑制作用。     

笼形水合物的科学与技术研究以及在能源和环境领域中的应用

能源与环境是人们越来越关注的问题,而笼形水合物同时在这两方面展示出了巨大的应用前景:(1)在广阔的海底大陆架中蕴藏着大量的以甲烷为主体的笼型水合物--天然气可燃冰;(2)将大气中日益增多的二氧化碳装入笼型水分子中并沉于海底以降减温室效应;(3)氢气可燃冰作为一种清洁的能源载体具有很高的能量密度、可重复再生、可快速允氢;(4)利用笼形水合物的形成过程,可以有效地分离气体、降低能耗、减轻污染,虽然笼形水合物在工程应用以及科学研究中有着重要的价值,仉其晶体结构,成键机制,温压相图,热化学与力学稳定性,合成与分解的反应动力学,声学弹性,与海底沉积的反应,以及扩散和输运性质等郜有待深入的研究.目前,科学家已经研发或者正在探讨将高压和低温装置与中子衍射技术以及激光光谱、热学测量、超声技术等有机的结合在一起,从而能够进行一系列的实验研究米解决诸多的基本科学问题.高压及低温环境下的中子衍射装置在氢气、甲烷以及二氧化碳气体水合物体系研究中显示了巨大的优势,并且在确定水合物晶体结构,气体分子在水合物笼格中的占据情况,以及气体分子在笼格中的分布状态等方面取得了巨大的进展.     

用分子动力学模拟甲烷水合物热激法分解

用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物热激法分解，系统地研究注入340 K液态水的结构Ⅰ型甲烷水合物的分解机理.模拟显示水合物表层水分子与高温液态水分子接触获得热能，分子运动激烈，摆脱水分子间的氢键束缚，笼状结构被破坏.甲烷分子获得热能从笼中挣脱，向外体系扩散.热能通过分子碰撞从外层传递给内层水分子，水合物逐层分解.对比注入277K液态水体系模拟结果，得出热激法促进水合物分解. 关键词： 甲烷水合物 分子动力学模拟 热激法     

储氢笼型水合物生成促进机理的分子动力学模拟研究

用分子动力学(MD)模拟方法研究水合物法储氢的促进机理,系统研究纯H₂水合物、H₂+四氢呋喃(THF)水合物、H₂+四丁基溴化铵(TBAB)半笼型水合物和H₂+四异戊基溴化铵(TiAAB)半笼型水合物的微观结构及性质.模拟分析客体与笼子之间的稳定能ΔE_GH,得出水合物中大笼子对稳定水合物起到主要作用.THF进入大笼子能促进H₂水合物稳定,降低H₂水合物形成压力,模拟结果与实验一致.模拟对比不同客体在大笼子中的ΔE_GH值,得出从小到大的顺序依次为TiAAB,TBAB,THF,H₂.模拟结果表明半笼型水合物的稳定性比结构Ⅱ型水合物强,同时得出H₂+TiAAB半笼型水合物的结构最稳定.MD模拟为TiAAB成为一种水合物新型促进剂和新型储氢材料提供了理论依据. 关键词： 2笼型水合物')" href="#">H₂笼型水合物 分子动力学模拟 储氢 半笼型水合物     

Ac掺杂β-FeSi_2光电性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理赝势平面波方法,对锕(Ac)掺杂β-FeSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析。几何结构的计算表明:Ac掺杂后β-FeSi2晶格常数a、b及c都有所变化,晶胞体积增大。电子结构的计算表明:Ac掺入后导致费米面进入导带,能带结构仍为准直接带隙,但是带隙明显变窄;费米能级附近,总电子态密度主要由Fe的3d层和Si的3p层电子态密度决定,Ac的6d层电子态密度贡献很小。光学性质的计算表明:静态介电常数ε1(0)明显提高,介电函数的虚部ε2的峰值向低能方向移动并且减弱,折射率n0明显提高,消光系数k向低能方向有一微小的偏移,吸收峰增强,平均反射效应变化不大,计算结果为β-FeSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据。     

Density functional theory study of structural stability for gas hydrate

Using the first-principles method based on the density functional theory(DFT),the structures and electronic properties of different gas hydrates(CO_2,CO,CH_4,and H_2) are investigated within the generalized gradient approximation.The structural stability of methane hydrate is studied in this paper.The results show that the carbon dioxide hydrate is more stable than the other three gas hydrates and its binding energy is-2.36 e V,and that the hydrogen hydrate is less stable and the binding energy is-0.36 e V.Water cages experience repulsion from inner gas molecules,which makes the hydrate structure more stable.Comparing the electronic properties of two kinds of water cages,the energy region of the hydrate with methane is low and the peak is close to the left,indicating that the existence of methane increases the stability of the hydrate structure.Comparing the methane molecule in water cages and a single methane molecule,the energy of electron distribution area of the former is low,showing that the filling of methane enhances the stability of hydrate structure.     

醇类抑制剂对甲烷水合物形成的影响

在本工作中,甲烷水合物的生长动力学是通过甲醇、乙醇、乙二醇三种不同醇类抑制剂存在下的分子动力学模拟研究的.模拟结果发现,三种醇类都可作为甲烷水合物的抑制剂,醇类分子中的亲水性羟基极大地破坏了水合物笼的结构,并且羟基可以与局部的液态水分子形成氢键,从而增加了形成水合物笼型结构的难度,导致甲烷水合物的生长速率降低.对于甲醇分子,甲醇分子的亲水性羟基与水分子形成氢键从而破坏了水分子结构,而亲油性甲基对周围的水分子具有簇效应,两者都会降低水合物生长速率;对于乙二醇和乙醇分子,它们只含有羟基,特别是乙二醇分子含有两个羟基,其对H₂O分子有很强的吸附作用,导致水合物生长速率降低.在抑制效果方面,甲醇分子最优,乙二醇稍微优于乙醇.     

基于Raman光谱技术的瓦斯混合气水合过程定量分析

瓦斯水合物微观晶体结构研究对水合分离技术具有重要理论意义。利用Raman光谱技术对三种含高浓度CO₂瓦斯混合气水合反应过程进行在线观测,并对水合物相Raman光谱图进行分析,获取了瓦斯水合物不同生长阶段大、小孔穴占有率,同时利用van der Waals与Platteeuw热力学统计模型间接获得水合指数等晶体结构信息。结果表明,瓦斯水合物孔穴占有率及水合指数在水合物不同生长阶段未发生较大变化,水合物相中大孔穴几乎被客体分子填满,CO₂与CH₄分子共同占据大孔穴,但CO₂占绝大多数,达到78.58%~94.09%,CH₄分子仅为4.52%~19.12%,这主要是由于两种分子间存在竞争关系且气样中CO₂浓度明显高于CH₄,大孔穴占有率维持在97.70%~98.68%;小孔穴占有率为17.93%~82.41%,占有率普遍偏低,且仅有CH₄分子;随气样中CH₄浓度增加,CH₄在大、小孔穴中的占有率均有所增加,且CH₄分子在大孔穴中的占有率均明显低于在小孔穴中占有率;水合物生长不同阶段水合指数为6.13~7.33,随气样中CH₄浓度的增加,小孔穴占有率有所增加,致使水合指数随之降低;由于瓦斯水合物生长分布不均匀,三种气样对应的不同生长阶段水合指数均呈不规则变化。     

甲烷水合物拉曼光谱法研究进展

介绍了甲烷在气相、水合相中的拉曼光谱特征,从水合物生成热力学、生成动力学、分解动力学和分解机理几方面对甲烷水合物实验室拉曼光谱分析和深海拉曼光谱检测的最新进展进行了综述。生成热力学方面重点介绍了基于拉曼光谱技术的水合物生成条件的原位观测、水合物结构的鉴定及水合物孔穴占有率和水合数的求算,生成动力学方面主要介绍了水合物生成过程中孔穴形成随时间的变化关系及水合物形成后流体中甲烷浓度的变化规律等内容。水合物分解方面着重介绍了水合物分解的微观机理、孔穴占有率的变化规律及多孔介质中水合物分解速率表达式。针对目前拉曼光谱法研究水合物存在的问题,对未来的发展方向和重点提出了建议。     

水合物研制、结构与性能及其在能源环境中的应用

天然气水合物是与能源和环境相关的物质,可以进行甲烷等能源气体的存储和提取,也可以用于对二氧化碳等废气的封存.天然气水合物主要分为三种结构:sI, sII和sH,在本文中对其稳定性、水笼类型和大小以及可俘获气体进行了论述.中子衍射技术是研究水合物的重要手段之一,有着独特的优势.如中子的穿透性可以研究在高压状态下压力腔体内的大块样品;中子对于轻元素的敏感性可以很好地确定水合物当中的碳、氢、氧元素.通过中子衍射和非弹散射可以得到水合物中H/D原子的位置、各向异性振动因子、不同温度压力下的客体分子的水笼占据率、客体分子在水笼中的无序分布、原子核密度分布(通过最大熵方法);通过时间分辨中子,可以检测水合物形成及分解过程的热力学和动力学过程.而利用非弹中子可以得到气体分子平移和旋转振动模式以及分子的量子态转变.通过二氧化碳气体注入对天然气水合物的开采可以实现能源气体甲烷的开采和废气二氧化碳的水合物封存,在减小地质灾害和开采成本上有着独特的优势.     

Modeling the properties of methane + ethane (Propane) binary hydrates,depending on the composition of gas phase state in equilibrium with hydrate

The properties of methane + ethane and methane + propane hydrates of cubic structures sI and sII are theoretically investigated. It is shown that the composition of the formed binary hydrate strongly depends on the percentage of a heavier guest in gas phase. For instance, for a 1% molar ethane concentration in gas phase, even at a low pressure, ethane occupies 60% large cavities in the hydrate sII, and as the pressure grows to 100 atm, it occupies 80% large cavities at a low temperature. The tendency remains the same at a temperature of higher than the ice melting point, but the methane concentration in the hydrate decreases to 30%. In the structure sI, the influence of the component composition of the gas mixture on that of the formed hydrate is less evident. However, in this case, calculation showed also that for a 1% molar ethane concentration in gas phase, ethane molecules occupy from 8 to 10% large hydrate cavities, depending on the pressure. This work is concerned with modeling phase transitions between cubic structures sI and sII of methane + ethane binary hydrates in view of incomplete occupation of cavities in the hydrate by guest molecules. For an ethane concentration under 2% in the gas mixture, the structure sII becomes more thermodynamically stable than the structure sI. However, as the ethane concentration grows to 20% in the equilibrium ice-gas-hydrate and to 40% in the equilibrium water-gas-hydrate, the structure sI becomes more thermodynamically stable. Hence, for low ethane concentrations in a gas mixture, the structure sI can be formed only as a metastable phase. Phase equilibria of methane hydrate sI and mixed methane + propane hydrate sII are considered, depending on the gas phase composition. Similar results are obtained for this equilibrium; this can evidence simultaneous formation of hydrates sI and sII at low propane concentrations.     

甲烷水合物的固体核磁共振碳谱与激光拉曼光谱研究

甲烷水合物（CH₄·nH₂O）是主要由甲烷和水分子构成的冰状笼型化合物,在自然界储量巨大．固体核磁共振（NMR）波谱和激光拉曼光谱是在分子水平分析甲烷水合物的重要手段．该文利用低温固体核磁共振碳谱（¹³C NMR）对合成的甲烷水合物结构进行了研究,分别使用¹³C交叉极化（¹³C CP）和高功率质子去偶（¹H HPDEC）2种脉冲程序采集甲烷水合物的¹³C NMR谱图,结合实验结果分析及理论推导可知,使用¹H HPDEC方法得到的¹³C NMR谱图信号更强,更利于定量分析;甲烷气体与冰粉合成的甲烷水合物为I型,其大笼和小笼占有率分别为0.988和0.824,水合数为6.07;甲烷气体与SH2站位沉积物和冰粉合成的甲烷水合物也为I型,其大笼和小笼占有率分别为0.987和0.887,水合数为5.98;SH2站位沉积物使合成的甲烷水合物的小笼占有率提高、水合数降低、水合物饱和度提高．激光拉曼光谱结果证实了上述结果的准确性．该文为甲烷水合物测试提供了重要的方法参考．     

用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物的热激法，化学试剂法，以及热激法结合化学试剂法分解，系统研究温度为277K和340K时添加液态水(WTR)和30wt％乙二醇(EG)溶液对水合物分解的影响.模拟显示WTR与水合物表面水分子形成氢键，破坏水合物原有的氢键平衡，造成笼状结构坍塌，水合物分解.EG分子中的羟基与水合物表面水分子形成氢键，从而破坏原有的稳定结构，造成水合物笼状结构被破坏，达到促进水合物分解，释放甲烷气体的效果.比较温度为277K和340K时添加WTR和30wt％EG溶液对水合物分解效果得出EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K)，热激法结合化学试剂法能更好促进水合物分解.