【学术成果】陈树军教授团队在多孔介质吸附-水合耦合储存甲烷微观机制研究方面取得新进展

近日，燃气工程系陈树军教授团队在多孔介质吸附-水合耦合储存甲烷微观机制的研究中取得新进展，相关研究成果《Molecular insights into the influence of synergistic effect on adsorption–hydration hybrid CH₄ storage in ZIF-8@AC composite materials》发表在《Journal of Materials Chemistry A》，目前影响因子为9.5。论文通讯作者为陈树军教授，第一作者和第二作者为硕士研究生韩其林和蒋东洋，太阳集团网址8722为第一署名单位和唯一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金面上项目资助。

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吸附-水合耦合法结合了吸附法与水合物法的固有优势，被认为是一种极具潜力的天然气储运方式，揭示多孔介质的纳米限域中材料特性，甲烷/水的传质行为以及吸附-水合耦合特性间的微观作用机制是提高吸附-水合耦合储存甲烷性能的关键。在前期研究中已充分论证ZIF-8的吸附作用对甲烷/水的输运以及水合物生长的促进效果，强化吸附及其与水合的耦合特性是提升甲烷储存效率的重要手段。

本文通过材料复合的方法制备了介孔ZIF-8@AC复合材料，利用ZIF-8与AC间的协同作用以增强吸附-水合耦合特性。为了探究ZIF-8@AC的协同作用对吸附-水合耦合储存甲烷的强化机制，采用分子动力学模拟的方法对ZIF-8@AC孔隙中协同作用对甲烷/水的吸附量、扩散系数、氢键数量、水合物数目、水合物空间演化及生长机制的影响进行了分析。

ZIF-8@AC、单体ZIF-8和单体AC的孔隙空间模型

ZIF-8@AC的孔隙空间中母体材料间吸附位点与吸附容量的差异使得材料表面形成不同弯曲程度的界面水层，影响了气液界面的表面张力及其对甲烷/水扩散的推动作用。吸附主导的甲烷/水扩散和水分子间氢键的形成紧密相关，最终表现为ZIF-8@AC的协同作用增强了吸附作用及其对水合物生成的诱导作用。

各模型的孔隙空间中甲烷/水的吸附量、扩散系数及氢键演化

 ZIF-8@AC的协同作用对甲烷吸附及吸附诱导的强化促使溶液中多处发生快速的水合物成核过程，由于适宜的扩散系数与高密度的氢键，稳定的水合物晶核快速生长并相互连接，显著提高了水合物生成速率和转换率。通过对水合物生长过程的追踪，揭示了溶液中水合物的快速生长机制，水合物笼通过笼面吸附和笼面共享的方式生长，而ZIF-8@AC的协同作用使得水合物晶核更容易形成大体积的水合物簇，增大其稳定性并加快其生长速率。

ZIF-8@AC孔隙空间中水合物的形成过程

ZIF-8@AC孔隙空间中水合物的生长机制

论文链接：https://doi.org/10.1039/d5ta04268b