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     

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。     

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．     

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.     

CO2在气体水合物结构特性的固体核磁共振波谱与拉曼光谱实验研究

天然气水合物是蕴含着巨大能源潜力的非常规能源,2017年和2020年两次我国南海探索性试采的成功,加快了天然气水合物项目的进展。二氧化碳置换开采法,既能开发CH₄,又能封存CO₂。同时水合物法分离烟气中CO₂具有很好的应用前景,而CO₂在气体水合物的微观结构和特性尚不明确,实际应用存在一定的未知影响。为了考察其特性,利用13C固体核磁技术（NMR）和拉曼光谱（Raman）进行CO₂置换CH₄水合物、合成13CO₂-H₂-CP混合水合物实验表征,讨论CO₂在水合物中的定量问题,研究CO₂分子在笼型结构中的分布,探讨CO₂分子在气体水合物中的结构类型和特性。结果表明：（1）利用Raman费米低频共振1 277.5 cm-1峰积分得到CO₂在I型大笼（51262笼）的占有率为0.978 2,CH₄在Ⅰ型小笼（512笼）和大笼（51262笼）的占有率为0.059 3和0.009 5,水合数7.61,Raman费米高频共振1 381.3 m-1峰积分得到CO₂在51262笼的占有率为0.984 3,CH₄在512笼和51262笼的占有率为0.023 7和0.003 3,水合数7.70,CO₂几乎占满了大笼,CO₂气体的加入会导致水合物中,CH₄的大、小笼占有率均大幅度降低,置换后水合数略低于纯甲烷水合物,未标记的CO₂水合物在核磁中较难测出信号,CO₂气体置换后CH₄在小笼的占有率仅0.097 5,大笼占有率为0.317 2,两种方法差异主要原因为核磁的CO₂未出峰。（2）利用拉曼费米低频共振1 273.4 cm-1峰积分得到H₂、CO₂在512笼、CP在51262的占有率分别为0.124 8,0.304 2和0.997 8,水合数9.16;Raman费米高频共振1 380.6 cm-1峰积分得到H₂、CO₂在512笼、CP在51262的占有率分别为0.123 6,0.577 1和0.985 1,水合数7.12。13C标记CO₂分子在水合物中达到较好的固体核磁分辨率,首次确认CO₂在Ⅱ型小笼中的化学位移为124.8 ppm,计算得到CO₂的小笼占有率为0.783 1,CP的大笼占有率为0.971 8,水合数6.70,Raman高频频费米共振峰（1 380.6 cm-1）定量计算与13C NMR结果更接近。（3）对CO₂的13C NMR化学位移进行了归属,并结合Raman与13C NMR的对比分析,为CO₂水合物的13C NMR研究和拉曼定量提供参考。     

应用中子衍射研究笼型水合物的结构及反应动力学

正随着国民经济的快速发展,能源成为推进我国现代化建设的关键物质因素和原动力,开发新能源特别是具有洁净环保能源理念的新能源成为建设可持续发展社会的迫切需要。笼型水合物在新型清洁能源开发、储存、和温室气体减排上具有巨大的应用前景。本文介绍了我们利用原位高压、低温中子衍射实验手段,并辅以分子动力学模拟,研究多种气体笼型水合物的结构、反应动力学模型,揭示了客体气体分子极性及尺寸影响气体笼型水合物性质的物理机制,以及今后     

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.     

氮气水合物储氢的激光拉曼光谱研究

近年来,笼型水合物储氢已成为储氢研究的热点之一。采用激光拉曼光谱开展了以氮气水合物为载体的储氢实验研究。在较为温和的条件下(15 MPa, -18 ℃),使合成的氮气水合物与氢气发生反应,对反应产物的拉曼光谱分析结果显示,氢气分子进入到水合物的笼型结构中,并且呈现出多分子的笼占有状态;氮气水合物与氢气的反应时间是影响储氢效果的重要因素。研究结果表明,氮气水合物有希望成为一种有效的储氢介质。     

季铵盐半笼型甲烷水合物激光拉曼光谱研究

四丁基铵盐生成的半笼型水合物以其独有的高稳定性、不易挥发性等优点,成为一种有吸引力的水合物法工业应用的新方法。实验制备了不同浓度的四丁基溴化铵和四丁基氯化铵溶液中生成的半笼型甲烷水合物样品,并使用激光拉曼光谱仪进行了光谱实验和结构分析。结果表明,半笼型水合物中的512小笼可以将CH_4分子包络其中;且当添加剂浓度较低时,CH_4分子对半笼型结构产生HS结构诱导作用,当添加剂浓度较高时,添加剂对半笼型结构的影响占主导作用。     

CO2水合物生长特性的分子动力学模拟

采用分子动力学对CO2水合物生长进行模拟并分析其变化规律,探究了CO2水合物晶体生长的微观过程以及不同温度、压力条件对水合物生长特性的影响机理. CO2水合物的生长是从已有晶胞附近向外扩散并逐具有序性的过程,水分子间逐渐形成四面体氢键与CO2共同形成完整的水合物笼. 另外, CO2水合物生长需要合适的过冷度,在压力为30MPa、温度范围265K至275K,水合物笼型晶胞可正常生成,并且温度越低,生成速率越快;在高温290K和300K时,体系分子运动加剧,水合物笼直接散开. 此外,在温度为270K、不同压力条件下,发现相较温度而言,由于CO2溶解度随压力变化的不明显性,导致CO2水合物增长速度伴随压力的变化相对不敏感.     

NMR在固体化石能源中的应用

综述NMR在固体化石能源的科学与技术领域中的应用,各种固态NMR技术,诸如CP、MAS、DD、DNP、TOSS、CRAMPS、NMRI等,均已用于表征化石能源的化学结构,其中以芳碳率与芳氢率作为结构多数最为重要。最近发展中的新方法,例如魔角慢转以及不同结合质子碳的谱编辑技术,展示了从核磁谱取得更多结构信息的前景,NMR可用于研究固体化石能源自然或人工热演化的机理;油气资源潜力的评价;煤在化学加工中性质的预测等。     

固体酸催化剂及分子筛晶化过程的核磁共振研究

介绍了一些常规固体核磁共振的技术的发展状况, 并综述了固体核磁共振在多孔材料中的应用情况, 其中包括沸石分子筛酸性和结构表征以及目前在分子筛合成机理研究中的应用进展. 本文的主要内容是利用固体核磁共振结合其它表征技术研究了一类介孔固体酸催化材料的酸性以及两种微孔磷铝分子筛的合成晶化过程.  利用有机聚合物为模板剂合成出两种介孔复合氧化物MoO_x/ZrO₂与WOx/ZrO₂固体酸材料. 并对其进行了物理化学性质的表征. 研究发现它们在较高的焙烧温度下仍保持有较高的比表面积及规整的孔径. 利用固体核磁共振技术及DFT计算的方法发现在介孔WO_x/ZrO₂及MoO_x/ZrO₂表面存在两种类型的Br[AKo¨D]nsted酸位, 其酸强度强于传统的HZSM-5分子筛, 与典型的固体强酸硫酸锆相当, 但弱于100％的硫酸. 借助于理论计算清楚地揭示了酸性位的具体结构和酸强度信息, 且计算结果与实验结果符合得非常好. 除了弱酸性的Zr-OH基团外, 在介孔氧化锆表面存在大量的Lewis酸位（配位不饱和的Zr⁴⁺）. 在引入Mo或W物种后, Mo-OH或W-OH与不饱和的Zr⁴⁺配位产生作为Br[AKo¨D]nsted酸位的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基, 并且导致氧化锆表面Lewis酸位的大量减少. 利用理论计算证实了单聚或多聚体形式的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基是强Br[AKo¨D]nsted酸性位产生的根源, 同时提出了酸性位形成的机理. 利用水热晶化法合成了AlPO₄-5和MgAPO-36两种具有重要工业潜在应用价值的分子筛材料并用固体核磁共振技术结合X射线衍射、傅里叶红外、高分辨电子显微镜等技术研究了它们的详细晶化过程. 研究发现在HF存在条件下加热120 min后具有AFI类型的骨架晶化开始. 此时³¹P NMR谱中在δ -22与 δ -29处出现两个来源于骨架P-O-Al单元的信号, ¹⁹F NMR谱中在 δ -120处出现来源于骨架F-Al_pen-O-P单元的信号, 证实了晶体骨架开始形成. 另外, 凝胶中五配位Al（F-Al_pen-O-P）的出现是分子筛晶化开始的另一个标志. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR、 ³¹P{²⁷Al} TRAPDOR及¹H→³¹P CP/MAS等双共振实验详细研究了初始凝胶相及晶化开始时凝胶相的结构, 在120 min加热凝胶中区分出具有不同化学环境的配位P原子, 提出了详细的晶化过程机理.  对于另一种具有高活性的镁取代的MgAPO-36分子筛催化材料, XRD发现在第二阶段423 K时, 加热1.5 h后骨架晶化开始. ³¹P NMR证实此时凝胶相中形成了P-O-Al及Mg-O-P骨架单元, 此后（2 h）凝胶相中出现半晶相的棒状颗粒. 并最终晶化为不规则球状的MgAPO 36晶体（18 h后）. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR及¹H→³¹P CP/MAS分析了中间凝胶相的微观结构并利用³¹P{²⁷Al} TRAPDOR NMR技术研究骨架晶化开始时凝胶相中P(nAl) (n=1~4)的配位结构, 得出了5种具有不同配位状态的微观化学环境, 提出了详细的晶化过程机理.     

Progress in correlation spectroscopy at ultra-fast magic-angle spinning: basic building blocks and complex experiments for the study of protein structure and dynamics

Recent progress in multi-dimensional solid-state NMR correlation spectroscopy at high static magnetic fields and ultra-fast magic-angle spinning is discussed. A focus of the review is on applications to protein resonance assignment and structure determination as well as on the characterization of protein dynamics in the solid state. First, the consequences of ultra-fast spinning on sensitivity and sample heating are considered. Recoupling and decoupling techniques at ultra-fast MAS are then presented, as well as more complex experiments assembled from these basic building blocks. Furthermore, we discuss new avenues in biomolecular solid-state NMR spectroscopy that become feasible in the ultra-fast spinning regime, such as sensitivity enhancement based on paramagnetic doping, and the prospect of direct proton detection.     

Phase states of methane in fossil coals

NMR measurements have revealed that methane can exist in coal samples in the state of solid solution rather than only adsorbed gas, opening new ways to prevention of gas dynamic accidents in underground coal mines and true estimation of coalbed methane resources.Understanding molecular structure of coal constituents and forms of methane occurrence in coal is the only way of extracting safely either coal or methane. We had studied nuclear magnetic resonance lines in various coals at room or low temperatures and have found that there exist three species of methane molecules differing in molecular mobility. Based on estimated diffusion parameters, these species were attributed to free methane, adsorbed methane, and solid solution of methane in crystalline coal substance. While first two phases are well known and can be analyzed by many different techniques, the last one hardly can be studied by methods other than NMR, resulting in inadequate estimations of methane resources.     

固体核磁共振研究固体酸催化剂酸性进展

酸性直接与固体酸催化剂的活性相关,因此研究固体酸催化剂的酸性受到了科研工作者的广泛关注. 固体核磁共振技术已经成为研究固体酸催化剂酸性的一种强有力的工具. 该文介绍了固体核磁共振的特点和各种常用技术,着重综述了固体核磁共振研究固体酸催化剂酸性的进展.     

激光拉曼光谱在气体水合物研究中的应用

天然气水合物是一种重要的潜在能源。用激光拉曼光谱法表征气体水合物能够为研究水合物形成机理和开采方法提供重要信息。系统介绍了激光拉曼光谱法的基本原理,综述了激光拉曼光谱仪在气体水合物微观表征上的各种实际应用。通过激光拉曼测试可分析水合物气体组成、推测结构类型,再利用经验公式或者相对定量法可计算出其大/小笼的气体占有率和水合数;利用原位拉曼技术可以观测水合物形成和分解的微观过程,解析气体分子进入和离开笼子的进程、进行水合物形成和分解过程中气体浓度变化及水合物形成过程中气体溶解度的测定,辨识水合物系统中的相变过程,进而研究水合物形成和分解动力学;激光拉曼光谱法还可用于研究超高压条件下气体水合物的结构及其变化过程。原位拉曼光谱能够对深海天然气水合物及其环境在原位进行表征;利用拉曼成像技术可以对水合物晶体表面进行系统测定,探求气体组分在晶体表面的分布。随着激光拉曼技术的发展及与其他设备联用水平的提高,激光拉曼光谱仪向便携,高灵敏度发展,能够更广泛深入地进行气体水合物微观研究。     

New proton conducting materials for technical applications: what can we learn from solid state NMR studies?

Many novel proton conducting materials are based on complex hydrogen bonding networks of amphoteric hydrogen bonded moieties. Solid state NMR provides unique methods to study the properties of such network and specific proton conduction mechanisms in detail. In particular 1H solid state NMR techniques under fast magic angle spinning are powerful tools in this area. Site specific studies of the dynamic behavior via variable temperature 1H MAS measurements provide insight in the thermodynamics of the hydrogen bonding as well as activation energies for the proton transfer between the amphoteric sites. On macroscopic length scales, pulsed field gradient NMR experiments are able to determine the proton mobility and the contribution of different conduction mechanisms. In this article, aspects of recent solid state NMR studies in the field are reviewed and typical experimental methods as well as their possible outcome are discussed.     

显微激光拉曼光谱原位观测甲烷水合物生成与分解的微观过程

采用显微激光拉曼光谱技术对高压透明毛细管中甲烷水合物的生成与分解的微观过程进行了原位观测,初步探讨了甲烷水合物笼型结构的变化规律.结果表明,甲烷水合物在生成过程中,甲烷分子的拉曼峰(2 917 cm-1)逐渐分裂为两个峰(2 905和2 915 cm-1),表明溶解态甲烷分子从单一的化学环境进入了两个有差异的化学环境中...     

甲烷水合物形成促进技术实验研究

实验研究了液态烃(环戊烷和甲基环己烷)对甲烷水合物形成条件的影响,测试结果表明液态烃降低了甲烷水合物的形成压力,并改变了形成水合物的结构。实验研究了促进剂(液态烃和表面活性剂)对水合物形成诱导时间和生长过程的影响,结果表明液态烃和表面活性剂降低了水合物形成的诱导时间,提高了水合物形成速度;而且表面活性剂提高了水合物形成过程中的耗气量,并改变了水合物形成机理。