室温低压稳定半笼形水合物的合成、结构调控与性能研究

气体笼形水合物用于储存天然气（主要成分为甲烷），从烟道气中捕捉二氧化碳，具有安全、节能、环保等优点，是理想的天然气储存与二氧化碳捕捉材料。但气体笼形水合物的生成与稳定需要低温高压（在室温下甲烷水合物的稳定压力高达380个大气压），同时它们的生成是一气/液（固）界面反应，反应速度十分缓慢，远远不能满足工业应用的需要，因此如何提高其室温低压稳定性与生成动力学是其能否工业化应用的关键。本项目拟以四异戊基季铵盐（F-和Br-）为模板剂，在高水合分子数下，通过分子网络设计、分子动力学模拟以及高通量实验筛选稳定剂，利用稳定剂分子（如有机/无机盐、多元醇、多元酸、环状分子、穴状分子、笼状分子等）与水分子形成的氢键网来增强笼形水合物的整体网络强度，利用载体提高生成动力学，从而制备室温低压稳定具有高储存密度的甲烷和二氧化碳半笼形水合物。本项目的成功将为解决甲烷储存与二氧化碳捕捉两大世界性难题提供思路。

气体笼形水合物是理想的天然气储存与二氧化碳捕捉材料。但气体笼形水合物的生成与稳定需要低温高压，同时它们的生成是一气/液界面反应，反应速度十分缓慢，远远不能满足工业应用的需要。本项目利用计算机进行分子网络设计以实现水分子网络结构稳定剂的虚拟筛选，通过分子动力学模拟来研究分子网络的空间结构稳定性，引入载体以及促进剂提高生成动力学以提高筛选效率，然后通过高通量技术快速测试分析，结果反馈后重新进行分子网络设计。在项目执行期间，我们对一千多种物质以及生物提取物进行了高通量实验，从天然提取物中筛选出木质素系列、氨基酸系列、植物多酚系列以及皂素系列气体水合物促进剂。通过对农业废弃稻壳的处理，制备了具有理想促进效果的载体：多孔二氧化硅（SiO2），以稻壳SiO2负载四异戊基溴化铵半笼形水合物来储存天然气与捕捉二氧化碳极大提高形成动力学，同时还保持了半笼形水合物的室温低压稳定性。