综述：气体水合物光谱分析方法的进展：综述及其在低碳能源解决方案和应用中的前景

《Energy & Fuels》：Advances in Spectroscopic Methods for Gas Hydrate: A Review and Perspectives for Low-Carbon Energy Solutions and Applications

天然气水合物作为能源储量和气候调节剂，其结构表征与动态研究依赖拉曼光谱和NMR技术，前者用于实时监测相组成与动力学，后者突破复杂介质限制实现孔隙尺度分析。研究重点包括水合物饱和度、相分布及甲烷/二氧化碳交换，同时探讨中子散射等补充技术的协同应用及实验挑战。

　　

气体水合物是一种由气体分子被包裹在水分子晶格中的结晶化合物，由于其在潜在能源和全球气候动态中的双重重要性而受到了广泛关注。这种类似冰的结构在低温高压的特定条件下形成，涉及甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）等气体。了解其性质、形成机制和解离动力学对于推进能源提取技术和气候变化缓解策略至关重要。为此，人们采用了多种先进的光谱技术，包括中子散射、核磁共振（NMR）、紫外（UV）、红外（IR）和拉曼光谱，来在分子层面研究这些现象。本综述重点介绍了拉曼光谱和NMR（结合中子方法作为补充手段）在微米至毫米尺度水合物系统中的实际应用：拉曼光谱用于确定结构类型、量化笼体占据情况与摩尔组成，并监测原位下的形成/解离动力学及CH₄/CO₂交换过程；NMR（无论是低场还是高场）都能无损地量化水合物饱和度、相分布以及不透明沉积物中的孔隙尺度动态，同时解决了诸如弛豫重叠、顺磁效应以及高压/高温条件下的探测兼容性问题。该综述全面对比了气体水合物研究中选用的各种光谱方法，包括对中子设施的实际考量（如束流时间竞争和样品池限制），并强调了改进跨技术基准测试的必要性。通过阐明这些方法的能力与局限性，本综述旨在为新研究人员和经验丰富的学者提供选择合适研究工具的指导。通过对最新进展的深入分析，它突显了光谱技术在揭示气体水合物基本特性方面的核心作用，并将这些观测结果与低碳能源和碳捕获与封存（CCUS）目标明确联系起来，为它们的实际应用和环境影响提供了宝贵的见解。