分子动力学模拟预测超临界CO2 中轻质气体自扩散系数：机制解析与模型优化

针对超临界CO2 (scCO2 )中轻质气体(H2 /O2 /CO/CH4 )扩散数据匮乏的问题，研究人员采用分子动力学(MD)模拟，系统计算了313-713K及75.994-126.656bar条件下的自扩散系数，构建了融合温度-密度-粘度的新型预测方程，相对误差仅4.44%，为CCUS技术优化提供了关键理论支撑。

　　

随着全球温室气体排放量突破57.4亿吨CO₂
当量的历史峰值，发展高效的碳捕集与封存(CCUS)技术已成为应对气候变化的迫切需求。超临界CO₂
(scCO₂
)因其独特的物理性质，在页岩气开采和CO₂
甲烷化等领域展现出巨大潜力。然而，这些过程中涉及的轻质气体(H₂
/O₂
/CO/CH₄
)在scCO₂
中的扩散行为却长期缺乏系统研究，特别是高压条件下的微观传质机制尚不明确，现有预测模型精度不足制约着工艺优化。

针对这一科学难题，西安交通大学的研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表论文，通过分子动力学(MD)模拟首次建立了涵盖313-713K温度范围和75.994-126.656bar压力的轻质气体扩散数据库。研究采用LAMMPS软件平台，基于经实验验证的力场参数，通过分析均方位移(MSD)曲线计算自扩散系数，并创新性地引入粘度参数构建预测方程。

计算方法的验证
团队首先对比了多种力场对纯CO₂
自扩散系数的预测效果，在373K超临界条件下，TraPPE力场与实验数据的偏差仅为2.3%，显著优于其他力场。这种验证确保了后续模拟的可靠性，为研究奠定了方法论基础。

扩散行为的影响因素
模拟结果显示：温度升高使H₂
的扩散系数从313K的2.18×10^-8
m²
/s提升至713K的1.05×10^-7
m²
/s；而压力从75.994bar增至126.656bar时，CH₄
的扩散系数下降达37%。通过量化分析发现，溶剂密度和粘度共同主导扩散行为，其中H₂
因分子质量最小表现出最强的温度敏感性。

预测模型的建立
研究团队创新性地将Speedy-Angell幂律方程扩展应用于多元体系，新构建的温度-密度-粘度三参数方程将预测误差从传统模型的>8%降至4.44%。该模型首次揭示了scCO₂
中扩散系数与粘度的非线性关系，突破了现有方程仅考虑温度压力的局限。

这项研究不仅填补了scCO₂
-轻质气体体系扩散数据的空白，更从分子尺度阐明了超临界流体中传质的微观机制。所建立的预测模型可直接应用于CCUS工艺模拟和页岩气开采优化，为实现"双碳"目标提供了重要的理论工具。特别值得注意的是，该方法避免了高压实验的技术风险和成本问题，为极端条件下传质研究开辟了新途径。未来可通过引入机器学习进一步优化模型，并扩展至更复杂的多组分体系研究。