笼型甲烷水合物稳定性与活性研究
甲烷水合物被公认为是储量丰富的潜在能源，有关甲烷水合物开采方面的研究被世界上许多国家列为重要的科研项目。对甲烷水合物性质的全面了解是开采甲烷水合物的前提，本文利用量子化学方法研究了笼型甲烷水合物的稳定性与活性，主要分两个方面:一是讨论单笼型结构客体存在与不存在情况下水合物的稳定性与活性，以及435663CH4笼型结构的稳定性;二是双笼型结构的稳定性与活性。 单笼型结构的稳定性与活性研究包含两个方面。首先，我们研究来自甲烷水合物SⅠ、SⅡ、SH三种构型的五种笼型结构512、51262、51264、51268和435663在客体(CH4，C3H8，C10H16)存在与不存在情况下的稳定性与活性。利用B3LYP方法在6-31++G(2d，2p)基组条件下对各笼型结构进行全优化。我们利用两种动态过程（环的平移与旋转）在B3LYP/6-31++G(2d，2p)条件下获得了破坏各笼型结构所需的能量，利用一个自行设计的程序在B97D/6-31++G(2d，2p)条件下获得了各笼型结构水分子之间的平均结合能，并在M052X/6-31++G(2d，2p)条件下计算了各笼型结构的化学硬度。结果表明，在稳定性变化方面:与435663相比，435663CH4更稳定;512与512CH4稳定性相当;对于51262、51264和51268笼型结构，包含了客体的笼型结构稳定性反而降低;在活性变化方面:与435663CH4相比，435663活性更高;512与512CH4活性相当;对于51262、51264和51268笼型结构，包含客体的笼型结构的活性更高。 其次，是以435663CH4笼型结构为研究对象，利用B3LYP方法在6-31++G(2d，2p)基组条件下计算了平移、旋转四元环过程中435663CH4笼型结构中甲烷溢出的能垒值。结果表明，通过平移改变四元环相对位置时，当四元环平移至距离剩余笼型结构0.3 nm时，甲烷可以溢出笼型结构;通过旋转改变四元环相对位置并不能使得甲烷溢出;当四元环平移0.25nm时，再通过旋转改变四元环相对位置，可以有效降低甲烷的溢出能垒。 双笼型结构稳定性与活性研究以435663CH4/512CH4、512CH4/512CH4、51262CH4/512CH4、51264CH4/512CH4和51268CH4/512CH4为研究对象。利用B3LYP方法在6-31++G(2d，2p)基组条件下对涉及到的结构进行全优化，并且分别利用B3LYP、B97D、M052X三种方法在6-31++G(2d，2p)基组条件下计算了双笼型结构及其相应的单笼型结构的能量、水分子之间平均结合能以及化学硬度。此外，将双笼型结构的形成看作是一系列的化学反应，并计算了各个双笼体系形成过程反应的能量变化ΔEr值。数据表明，双笼型结构的形成使得组成其相应的两个单笼型结构的稳定性降低活性增强;435663CH4/512CH4、512CH4/512CH4、51262 CH4/512CH4以及51262 CH4/512CH4形成过程ΔEr值均为负值，即为放热过程;而双笼51268CH4/512CH4的形成过程ΔEr值为正，即为吸热过程。
甲烷水合物;稳定性;量子化学方法;笼型结构;溢出能垒
北京化工大学
硕士
化学
杨作银
2015
中文
O641.121
93
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）