丙烷和甲基环己烷水合物储氢的分子动力学模拟研究

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氢气作为一种新能源由于热值高、燃烧后无污染,所以被认为是最理想的能源。但氢气密度低,存储难成为氢能应用的瓶颈。水合物储氢技术具有成本低,安全性高等优点得到研究者的青睐。然而氢气在270K和250MPa下才能与水生成水合物。如何在温和条件下高密度储氢成为水合物储氢的难题。分子动力学模拟作为一种研究方法,可以突破宏观实验的限制,直观揭示水合物储氢的过程和影响因素。本文利用分子动力学模拟对促进剂存在下的氢气水合物同步生成与诱导生成进行了对比,考察了s II型和s H型水合物促进剂的储氢过程与储氢效果,分析了关键影响因素,为水合物技术的应用提供一定的数据和理论指导。论文分别在240-260K、50-70MPa和230K、110MPa下分别模拟了同步生成丙烷-氢气水合物和甲基环己烷-氢气水合物的过程。低温有利于水合物的储氢。60MPa,240K时氢气-丙烷体系水合物的储氢密度最高为1.128wt%。s H型水合物储氢量低于s II型水合物,230K、110MPa甲基环己烷-氢气水合物的储氢密度为1.08wt%。随后分别在250-270K&30-70MPa,以及240-260K&70-110MPa下利用分子模拟方法研究了s II型和s H型水合物诱导储氢过程。s II型水合物模拟结果表明,储氢温度不宜高于260K,此时储氢密度在0.893-1.455wt%;高于270K时,水合物的储氢密度在0.099-1.124wt%。这是因为在270K,氢气分子只在512笼中稳定;而当温度低于270K,氢分子可以稳定在51264笼子中,两个氢气同时占据51264笼,这种两个氢气同占大笼的现象有利于提高水合物的空间利用率。s H型水合物模拟结果表明,一定压力以上水合物储氢密度主要受温度的影响。温度为250-260K时,水合物的储氢密度较小(≤1.0wt%),当温度为240K,储氢密度大幅提升(≥1.6wt%)。构象分析发现,250-260K时氢气在从界面进入水合物相时,氢气分子受阻于512笼层中。结果表明,诱导生成储氢比同步生成储氢需要条件更温和,储氢效果更好。
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