富有机质盖层中氢气泄漏的分子模拟研究：水及缓冲气体条件下的迁移机制

针对地下储氢(UHS)中氢气(H2)通过有机质盖层泄漏的关键问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟，系统研究了压力、水含量及缓冲气体(CH4/CO2)对H2迁移的影响。结果表明：水饱和可降低77.2%泄漏率，CO2因强吸附性比CH4更有效抑制泄漏，为优化储氢安全性提供理论依据。

　　

随着全球能源结构向低碳转型，氢气(H₂)因其高能量密度和零碳排放特性成为理想能源载体。然而，地下储氢(UHS)面临的核心挑战是H₂分子尺寸小、扩散性强，易通过盖层纳米孔隙泄漏。尤其当盖层富含有机质（如干酪根kerogen）时，其复杂孔隙结构可能成为H₂迁移的优先通道。现有研究多聚焦无机矿物中的H₂行为，而对有机质主导的泄漏机制认识不足，制约了储氢安全性评估。

针对这一空白，中国某研究团队在《Fuel》发表论文，通过分子动力学(MD)模拟揭示了压力、水和缓冲气体对H₂在kerogen基质中迁移的影响规律。研究采用Type Ⅱ-D kerogen模型构建有机质纳米孔隙体系，模拟不同地质条件下H₂的空间分布、泄漏速率及扩散特性，并结合能量分析阐明抑制泄漏的微观机制。

关键技术方法
研究使用Materials Studio软件构建kerogen-石墨烯复合模型（密度1.21 g/cm³），采用COMPASS力场描述分子相互作用。通过LAMMPS进行MD模拟，设置温度310K，压力5-30MPa梯度，分析干态/水饱和（0-15wt%）及含CH₄/CO₂缓冲气体条件下的H₂迁移行为，计算扩散系数(D)和吸附能分布。

研究结果

压力对氢气泄漏的影响
模拟显示H₂泄漏速率随压力呈单调上升趋势：5MPa时为1.95 kg/m²/s，30MPa时增至12.52 kg/m²/s。高压促使H₂分子在kerogen孔隙中形成连续渗透路径，且吸附位点饱和后自由H₂比例增加，扩散阻力降低。

水含量的抑制作用
水分子通过双重机制抑制泄漏：①占据kerogen表面吸附位点，减少H₂接触面积；②形成氢键网络阻塞孔隙通道。15wt%水饱和度下泄漏率比干态降低77.2%，且H₂扩散系数下降两个数量级。

缓冲气体的竞争吸附效应
CH₄和CO₂在kerogen表面吸附能分别为-8.2 kJ/mol和-15.6 kJ/mol，远高于H₂（-4.3 kJ/mol）。CO₂因更强的极性在界面形成致密吸附层，将H₂排挤至孔隙中央，使其迁移能垒提升42%，抑制效果显著优于CH₄。

结论与意义
该研究首次系统阐明了有机质盖层中H₂泄漏的分子机制，证实提高水饱和度和注入CO₂缓冲气体可协同增强封存效能。成果为UHS选址评估和工程调控（如注水保压、CO₂-H₂混合存储）提供了理论支撑，对保障碳中和背景下的氢能规模化应用具有重要实践价值。