天然气水合物是新型清洁能源,围绕CO2置换CH4水合物技术的研究对天然气水合物的资源开采和减少全球碳排放具有重要意义.其中,置换机理的解析是CO2置换CH4水合物技术的关键问题,对提升置换效率具有重要作用.为深入阐述置换机理的本质,采用量子力学(QM)方法对水合物中主、客体双分子聚体间的相互作用进行模拟.利用不同的密度泛函理论(DFT)方法对双分子聚体的结构及单点能进行计算分析,在对CO2置换CH4水合物过程的研究中,获得QM方法下进行几何结构优化和单点能计算的较优的计算参数.采用对称性匹配微扰理论(SAPT)进行能量分析,解析主、客体相互作用中各分子的贡献,并通过计算波函数信息分析约化密度梯度函数(RDG)、独立梯度模型(1GM)和静电势,定向研究主、客体分子间最主要的相互作用.研究结果表明CO2置换CH4水合物过程中主、客体分子间的作用主要由静电作用贡献,色散和诱导作用占比较小;在置换过程中,客体分子由CH4转变为CO2时色散作用影响减弱,静电作用影响加强.因此,静电作用是置换过程的关键,提高与H2O的静电作用是提升置换效率的有效方法.所得结果为CO2置换CH4水合物技术的发展提供了理论指导.
天然气水合物 CO2置换CH4水合物过程 量子力学 对称性匹配微扰理论(SAPT) 密度泛函理论(DFT)