硅石狭缝型孔隙中甲烷水合物成核机理的分子动力学模拟研究

Huge amounts of methane are stored around the world in the form of methane hydrates，which represent a large energy reserve for humanity. A thorough understanding of the mechanism of gas hydrate nucleation is of great interest both scientifically and practically. Recently, the molecular mechanisms of spontaneous nucleation of methane hydrates from methane-water solution have been proposed by several research groups through molecular dynamic (MD) simulations. However, MD simulations of the nucleation for methane hydrates in porous media have not been reported yet. Here we propose to develop a reliable force field for the methane-water-silica system based on high-level ab initio calculations as well as experimental data, and then apply it to study the mechanism of the nucleation of methane hydrates confined in narrow slit-shaped silica pores. The impact of the silica surface on the nucleation of methane hydrates will be revealed. And the effect of silica pore size on the nucleation rate and induction time will also be investigated. This project will be very helpful to understand the mechanism of natural gas hydrate formation in seafloor porous media.

天然气水合物在地球上蕴藏量极大，是一种潜在的新型能源。对气体水合物成核机理的研究具有重要的科学意义和现实意义。近年来，国际上几个研究小组基于对甲烷水合物在甲烷水溶液中的自发成核和生长过程的分子模拟提出了甲烷水合物的成核机理，然而对甲烷水合物在多孔介质中的成核机理的分子模拟研究文献中尚未见报道。本课题拟使用高水平从头计算结果并结合实验数据，开发适用于硅石孔隙中甲烷水合物计算机模拟的可靠力场，并将该力场应用到甲烷水合物在硅石狭缝型孔隙中成核过程的分子动力学模拟中。我们将研究天然气水合物在硅石孔隙中的成核机理及硅石表面对天然气水合物成核的影响，并通过改变硅石孔隙尺寸分析得到成核速率、诱导时间等随孔隙尺寸的变化规律。本课题的研究对于认识自然界沉积物中天然气水合物的形成机制有着重要的科学意义。

天然气水合物在地球上蕴藏量极大，是一种潜在的新型能源。对甲烷水合物成核机理的研究具有重要的科学意义和现实意义。近年来，国际上几个研究小组基于对甲烷水合物在甲烷水溶液中自发成核和成长过程的分子动力学模拟提出了甲烷水合物的成核机理，然而对甲烷水合物在多孔介质中成核机理的分子模拟研究还未见报道。本研究基于高水平从头计算结果构造了一个可以合理处理水、甲烷、以及石英/水和石英/甲烷界面体系的力场，该力场不仅能够给出合理的甲烷水合物结构，对于羟基化的石英晶体表面给出合理的原子电荷，并能合理描述石英/水和石英/甲烷的相互作用。该力场被用于石英狭缝型孔隙中甲烷水合物成核机理的分子动力学模拟。此外，金属有机骨架材料作为一种新型多孔材料近年来在催化和气体吸附分离领域越来越受到科研工作者的重视。本研究选取了具有很好热稳定性的UiO-66和UiO-66-NH2材料为载体，研究了Pd、Pt等金属纳米团簇在多孔材料中孔道内的迁移、稳定结构、电荷转移等性质，揭示了金属团簇在孔道中的结构特点，研究发现不同金属的负载位置与孔道结构特点有很大的关系，这对于理解这类复合材料形成的具有重要的指导意义。进一步地，我们选取了热力学稳定的结构Pd28@UiO-66-NH2，研究了三甲基苯醌的加氢还原反应路径，对其可能的反应机理进行了探讨，与实验合作很好地解释了实现现象。计算得到的不同金属纳米团簇负载在UiO-66和UiO-66-NH2孔道中的稳定构型可以作为合理的催化剂模型，为后续继续开展相关课题的研究工作奠定了很好的基础。本研究为后续研究二元金属团簇在孔道中的稳定结构打下了基础，为实验有针对地合成相关复合材料提供思路。