气体水合物特性的晶格动力学模拟

发布时间：2020-04-18 07:07

【摘要】： 本文在开始部分简要介绍了气体水合物的概况及其研究的重要意义。然后阐述了计算机模拟技术的基本原理和方法。在这些基本知识基础之上,开展了对气体水合物的计算机模拟研究。模拟采用晶格动力学方法计算了填充惰性气体分子和甲烷分子的I型和II型气体水合物的结构和动力学特性。通过比较两种结构的气体水合物的晶格能量和填充分子的振动模式来研究主客体之间的相互影响。结果发现主客之间的排斥作用在水合物体系中起着重要的作用。模拟计算得到了在相同的外界条件下空的I型和II型水合物的声子态密度谱(PDOS谱)。通过比较可以看出两个谱线在平动区和摆动区的特征几乎完全相同。引入客体分子后,这两种水合物的动力学特性出现了差异。通过对晶体系统能量的计算探讨了不同客体分子种类对水合物结构稳定性的影响。结果表明,填充气体分子的种类对水合物稳定性有明显的决定作用。当填充分子的直径在4.2?-3?之间时,512小笼结构对于水合物的稳定扮演了尤为重要的角色。同时,除了512小笼的微观结构之外,这种笼结构在整个晶体系统中所占比例和所处的晶体学位置对水合物的稳定也产生了极为重要的影响。同时,对填充非球状分子的水合物得到了一些初步的结果。研究发现在II型气体水合物结构中填充甲烷气体分子时,其晶格能量低于空晶格的能量。根据这一结果提出了II型甲烷气体水合物存在的可能性,虽然这种水合物结构至今尚未探测到。另一方面,为了研究主体晶格对客体分子的影响,计算了分别填充在I型和II型水合物结构中的Xe分子在大笼和小笼中的振动模式。主要讨论了笼结构中的Xe分子PDOS谱的低频部分。根据对结构所做的分析,进行了模式分配计算。I型气体水合物中的Xe分子振动计算谱与Baumert观测到的非弹性中子散射谱基本一致。对II型气体水合物中的Xe分子振动进行了模拟计算,得到了不同于I型气体水合物的两个激发峰值。结果发现虽然在两种结构中填充的分子都是相同的Xe分子,在不同水合物晶格中的Xe分子振动模式是不一样的。笼状结构的不同导致了得到的声子态密度谱的差异。另外,获得的计算谱显示了客体分子具有与主体晶格特征频率相同的振动模式(大约7meV和10meV位置)。这提供了关于共振效应的信息。这一效应的可观测性主要源于小笼中的Xe分子与主体晶格之间较强的耦合作用。由于II型气体水合物中512小笼结构在数量上是优势笼,使得这种共振耦合强度远远大于I型气体水合物。
【图文】：

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通常呈白色（图1）。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构非常相似。因其中的气体多以甲烷为主(＞90%)，故也被称为甲烷水合物(methane hydrates)。在这种冰状的结晶体中，作为“客”的气体分子充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下通过范德瓦尔斯[1,2]作用力稳定地相互结合在一起。图 1 南太平洋海底获得的气体水合物样品1810 年 Humphrg Davy 在伦敦皇家研究院首次合成氯气水合物。气体水合物（Gas Hydrate）一词最早出现在 Davy 次年所著的书中。在这以后的一百二十多年中，人们仅通过实验室来认识水合物。1832 年 Faraday 在实验室合成氯气水合物 Cl2·10H2O，并对水合物的性质作了较系统的描述。1884 年 Roozeboom提出了天然气水合物形成的相理论。此后不久，Villard 在实验室合成了 CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的水合物。1919 年，Scheffer 和 Meijer 建立了一种新的动力学理论方法来直接分析天然气水合物

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图 2 氢键示意图和水分子通过氢键连接形成的笼状单元结构按结构类型，天然气水合物可分为Ⅰ型、Ⅱ型、H 型三种结构。气体水合物中晶格主体上的水分子通过氢键相连，形成一些不同的笼状单元结构，分别是十二面体（512，435663），十四面体（51262），十六面体（51264），二十面体（51268），如图 2 所示。这些笼状结构按照一定的方式组合形成不同结构的水合物。Ⅰ型结构和Ⅱ型结构天然气水合物是由 Claussen 等人分别于 1952 年和 1951 年确定的，H 型结构天然气水合物是由 Ripmeester 等人于 1987 年确定。结构I型水合物的基本单位晶格是体心立方结构，晶胞常数为12 ，空间群Pm3n，由 46 个水分子组成，如图 3。在它们中间有 8 个能容纳气体分子的空腔，其中 2个小空腔，6 个大空腔。小空腔为正五边形十二面体（512），半径为 3.95 ，，大空腔为由两个对置的六边形和在它们中间排列的 12 个五边形构成的十四面体（51262），半径为 4.33 。因此，I 型水合物可以填充直径大于 6 的分子，如：CH4, Xe, H2S, C6H6。结构 I 型水合物的结构分子式为 2(512) 6(51264) 46H20，理
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：P744.4

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