中科大张炜等-激光拉曼揭示水合物形成过程中水分子排列与转化的关键过程- JEC

(原位拉曼光谱法研究高效合成天然气水合物的关键过程及其影响不同体系中水的微观结构随温度下降的变化)

Authors(作者): Wei Zhang（张炜）, Chun-Gang Xu*（徐纯刚）, Xiao-Sen Li*(李小森), Zhuo-Yi Huang, Zhao-Yang Chen

Source(来源): Journal of Energy Chemistry，2023，82：317–333

Abstract(摘要): 天然气水合物技术在许多领域具有相当大的潜力。然而，由于对水合物形成的微观机制缺乏了解，迄今为止尚未得到商业应用。天然气水合物的形成本质上是水和气体分子在一定温度和压力下的气-液-固相变。 水合物形成的关键是水分子由无序排列向有序排列的转变。在此过程中，弱氢键水会相应转化为强氢键水。通过原位拉曼分析和实验，对比了强氢键水和弱氢键水对应峰的位置变化，全面研究和总结了不同体系中天然气水合物形成的关键微观过程及其影响。研究发现，随着温度的降低，弱氢键水的O-H在温度降至一定值时保持不变，这是水转变为笼状水合物而不是冰的关键。弱氢键水向强氢键水的转化与气液界面力、促进剂的亲疏水性、液体的电离程度、体系的静电场等密切相关。在四种最常见的促进剂中，四氢呋喃(THF)促进甲烷(CH4)水合物生成的效率最高。因此，本研究为开发高效的水合物形成促进剂提供了科学的方向和依据，该促进剂能够有效削弱弱氢键水的氢键，促进弱氢键水向强氢键水转化。

图1-实验设备示意图

图2-与纯水体系相比，在没有气体和静电场的情况下，4种不同体系中水的弱/强氢键OH对应峰的拉曼位置随温度的变化而变化。

图3-在无静电场的不同系统中，IS/IW随温度变化(a)无气体;(b) 0.5 MPa CH4;(c) 1.0 MPa CH4

图4-强极性/弱极性或亲水性/疏水性分子对水排列的影响示意图

Summary(结论): 该工作将微观拉曼实验与宏观水合物生成实验相结合，揭示了水合物形成过程中水分子随温度下降的微观变化，从本质上讨论了不同类型促进剂对水合物形成的影响机理，指出了影响水合物生成速率和气体消耗量的关键控制因素，即添加剂促进水合物生成的关键在于促进弱氢键水向强氢键水的转化，亲水性促进剂相比疏水性促进剂有更好的热力学作用，而离子型促进剂不利于提高气体消耗量。这对于开发新型高效的水合物形成促进剂、解决水合物技术瓶颈问题具有重要意义。 

DOI: 10.1016/j.jechem.2023.03.029

Link(链接): https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495623001882