气体水合物的晶格动力学模拟研究

论文摘要

对气体水合物研究的很重要的一方面就是气体水合物的形成和分解过程,以及其稳定存在的限制条件。气体水合物只有在客体分子填充于主体晶格的情况下才能够稳定存在,也就是说,在自然界当中是不存在气体水合物的空晶格结构的。在气体水合物当中,由于填充的客体分子与形成主晶格的水分子之间是非化学计量的,即客体分子在笼子中比较自由的,所以客体分子与主晶格之间的相互作用和形成主晶格的水分子之间的氢键作用相比较要弱的多。尽管如此,客体分子与主体晶格之间的相互作用对气体水合物的稳定存在还是非常重要的。另一个令人感兴趣的问题是气体水合物中客体分子的双占据对气体水合物有着怎样的影响。这也是气体水合物研究的一个新的热点。本文主要利用晶格动力学模拟对氙气、氩气以及氮气气体水合物进行了计算机模拟计算,然后将模拟计算的结果与非弹性中子散射实验的结果进行了比较,验证了模拟的可靠性和准确性,并对不同客体分子在不同填充情况下主体晶格与客体分子之间的相互作用进行了讨论。在这些气体水合物的声子态密度谱线中都观察到了两个比较宽的激发峰,这两个激发峰的峰值分别位于7.4meV和10.4meV附近,这和空晶格的谱线非常相似,所以这两个激发峰就被认为是气体水合物的主晶格振动模式的指纹特征振动位置。对氙气气体水合物的模拟计算结果显示氙气完全填充情况下的模拟结果近乎完美的再生了实验谱中所有特征位置。特别是5.7meV处的特征峰对应于中子散射实验谱中位于6.1meV的微弱的激发峰,其来源在此之前一直没有结论而处在被忽略的状态。我们的模拟计算结果精确而充分的显示了它产生于小笼中的氙原子振动。模拟计算结果显示在小笼中的氙气分子与主体晶格之间的相互作用要比在大笼中的相互作用更强一些,由此可以认为小笼对氙气水合物起着更重要的作用。在氮气水合物计算结果中可以观察到两个明显的客体振动模式,这两个激发峰的峰值分别位于2.0meV和6.2meV处,这两个振动模式分别对应于氮气分子在大笼和小笼中的振动。同时,模拟计算的结果也确认了氮气分子在大笼中的双占据导致了一个新的激发峰的出现,其峰值位置位于5.6meV处,这个激发峰被认为是源于氮气分子在大笼中转动振动模式的贡献。这个振动模式的出现会使氮气水合物中大笼振动模式与小笼振动模式之间的差距得到填充。在低频范围内,即主体晶格与客体分子相互耦合作用的区域,氙气水合物和氮气水合物的声子态密度谱线有着明显的不同。计算机模拟的计算结果显示客体分子的振动模式以及主晶格与客体分子之间的相互作用在很大程度上依赖于填入到主晶格内的客体分子的种类。对氘化的氮气水合物进行的模拟结果显示,未氘化的氮气水合物和氘化的氮气水合物的声子态密度谱线十分相似,两者的振动模式的峰值位置基本相同,不同点就是氘化的氮气气体水合物的在低频区域的振动模式密度有所增加,导致这种现象出现的原因是氘原子的质量要比氢原子的质量要大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 气体水合物研究进展
• 1.1 气体水合物简介
• 1.2 气体水合物的分布情况
• 1.3 气体水合物的应用领域
• 1.3.1 潜在能源领域
• 1.3.2 地球物理领域
• 1.3.3 环境治理领域
• 1.4 国内外研究的最新进展
• 2 气体水合物的结构及特性
• 2.1 气体水合物的笼型晶格结构
• 2.2 气体水合物的物理化学性质
• 2.3 气体水合物的形成条件机制
• 3 晶格振动理论及计算物理方法
• 3.1 晶格振动理论
• 3.2 计算物理方法
• 3.2.1 分子计算科学
• 3.2.2 分子计算的模拟方法
• 3.2.3 运动方程的数值求解方法
• 3.2.4 分子系综
• 3.2.5 分子相互作用势
• 4 气体水合物的实验和计算机模拟研究结果
• 4.1 非弹性中子散射实验分析方法
• 4.2 晶格动力学模拟计算与结果分析
• 4.2.1 晶格动力学模拟的水分子模型
• 4.2.2 晶格动力学模拟计算与实验结果的比较
• 4.2.3 单原子气体水合物模拟计算结果分析
• 4.2.4 双原子气体水合物模拟计算结果分析
• 4.2.5 氙气和氮气水合物模拟计算结果比较
• 5 结论
• 6 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 学术论文的发表情况