综述：静态体系中甲烷水合物形成动力学的现状与思考

（编辑推荐语）本综述系统梳理了静态体系下甲烷水合物（MH）形成动力学的研究进展，聚焦碳基材料、硅基材料等介质中MH的成核、传质与传热机制，结合物理表征与模拟技术（如分子动力学MD），提出低能耗、高经济性的静态系统优化策略，为清洁能源存储技术（如NG、CH4）提供理论支撑。

　　

静态体系中甲烷水合物形成动力学的现状与思考

摘要

随着全球能源需求增长与环境压力加剧，甲烷水合物（MH）作为一种创新的甲烷（CH₄）存储技术备受关注。静态系统因其低能耗和高经济性成为研究热点。本文系统综述了碳基材料（如活性炭AC、石墨烯）、硅基材料、黏土等多孔介质中MH形成的动力学机制，揭示了材料粒径、表面粗糙度及亲疏水性对成核与传质的关键影响，并通过分子动力学（MD）模拟与物理表征技术（如X射线衍射XRD）解析微观机制，为未来静态系统优化提供方向。

引言

工业化进程加速推动全球能源需求攀升，天然气（NG）因其低CO₂排放成为过渡能源的核心。据预测，2050年NG需求将增长12.30%。然而，传统存储技术如液化天然气（LNG）需-162℃低温维持，经济性受限。MH技术以1:164的CH₄-H₂O包合比展现出巨大潜力，但动态系统（如搅拌）的高能耗制约其发展。静态系统通过引入多孔材料（如金属有机框架MOFs）和界面调控，有望突破成核随机性与传质效率低的瓶颈。

基本性质与形成机制

MH是由水分子通过氢键构建的笼型结构，其I型晶胞可容纳CH₄分子。形成过程需满足低温高压条件（如2-6 MPa，0-10℃），并受界面张力与相平衡曲线调控。研究表明，多孔材料的孔径分布（如2-50 nm）可显著提升气液接触面积，促进成核。

动力学挑战

1. 成核随机性：气液界面限制导致成核位点分布不均，延长诱导时间；
2. 传质限制：高粘度水合物层阻碍CH₄扩散，需通过表面改性（如疏水涂层）优化；
3. 热管理：MH形成放热（约54 kJ/mol），静态系统中热量积聚可能破坏热力学平衡。

材料优化策略

• 碳基材料：石墨烯的π-π作用可定向吸附CH₄，其层间距调控（0.3-1 nm）可加速水合反应；
• 硅基材料：二氧化硅（SiO₂）表面羟基通过氢键稳定水合物簇；
• 生物质材料：椰子壳衍生多孔碳的天然孔道结构可减少成核能垒。

表征技术

• 物理表征：拉曼光谱可追踪CH₄分子振动模式变化，揭示笼型结构演变；
• 模拟技术：粗粒化分子动力学（CG-MD）模拟显示，表面粗糙度增加10%可使成核速率提升20%。

未来方向

结合界面化学与机器学习算法，设计智能响应材料（如温敏水凝胶），实现传质-成核-热管理的协同调控，推动MH技术向工业化迈进。

结论

静态系统通过材料设计与机理创新，有望解决MH形成动力学的核心问题，为NG低碳存储与全球碳中和目标提供关键技术支撑。