低成熟度页岩中氢气吸附能力的评估：基于晶格密度泛函理论的地质储氢应用研究

为解决地下大规模储氢技术难题，研究人员采用晶格密度泛函理论（LDFT）结合孔隙分布（PSD）模型，系统评估了低成熟度页岩对H2的吸附特性。实验表明，50°C下最大过剩吸附量达54.94 μmol/g，微孔和介孔贡献显著。该研究为页岩储氢提供了理论支撑，推动清洁能源转型。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注，但其大规模储存仍是技术瓶颈。传统储氢方式如金属氢化物成本高昂，而地下地质构造（如页岩）因其丰富的纳米孔隙和稳定地质条件成为潜在解决方案。然而，页岩对H₂的吸附机制尚不明确，尤其缺乏对低成熟度页岩超临界吸附行为的定量研究。

针对这一问题，中国石油勘探开发研究院等机构的研究人员选取苏北盆地湖相低成熟度页岩样品（FN-1、FN-2、FN-4），通过扫描电镜（SEM）和低温氩吸附表征孔隙结构，结合高压H₂吸附实验（50–100°C，0–190 bar），创新性地将孔隙分布数据整合至晶格密度泛函理论（LDFT）模型，建立了PSD-LDFT预测框架。论文发表于《Fuel》，为页岩储氢提供了重要理论依据。

研究采用三大关键技术：1）低温氩吸附结合非局域密度泛函理论（NLDFT）量化页岩孔隙分布；2）高压吸附仪（BSD-PH）测定超临界H₂吸附等温线；3）基于粒子群算法（PSO）优化LDFT模型参数，实现多温度条件下吸附行为的精准预测。

材料表征
X射线衍射（XRD）显示样品以硅酸盐和钙质矿物为主，总有机碳（TOC）含量0.92–1.63 wt%。SEM揭示有机质内发育纳米级孔隙和微裂缝，FN-4的微孔体积最高（0.0032 cm³/g），比表面积达9.168 m²/g。

吸附行为
H₂吸附量随压力升高而增加，50°C时FN-1和FN-4吸附量超50 μmol/g。温度升高导致吸附量下降，75°C与50°C的降幅大于75°C与100°C，反映温度影响的非线性。PSD-LDFT模型拟合优度R²>0.9879，证实微孔（<2 nm）贡献占主导，2层（0.6 nm）孔隙吸附密度达峰值。

热力学分析
通过维里方程计算亨利常数（K_H），FN-4的K_H最高（0.005148 mmol/g·MPa），表明其吸附亲和力最强。极限吸附热（|Δh₀|）为11.81–12.29 kJ/mol，低于CH₄的17–25 kJ/mol，印证H₂-页岩作用较弱。

储氢潜力评估
模拟显示，埋深4000米时吸附H₂占总储量的14.2%，自由相占比更高。FN-1参数预测表明，微孔丰富的页岩具备更优储氢性能。

该研究首次将PSD-LDFT模型应用于页岩-H₂体系，揭示微孔通过重叠势场增强吸附的机制，为靶向优化储层选择提供依据。成果对实现碳中和目标下的氢能规模化封存具有重要实践意义。