隨著生態環境的惡化以及能源的短缺，開發清潔環保的新能源成為建設可持續發展社會的迫切需要，而籠型水合物在新型清潔能源開發、能源儲存、溫室氣體捕獲和氣體分離等領域具有巨大的應用前景。
籠型水合物是在一定溫度和壓力等條件下由水（冰）和氣體分子形成的非化學計量的、具有籠狀結構的類冰固體化合物，是通過將氣體分子籠絡在由氫鍵所構成的水籠子內，具有穩定的晶體結構。人們在深海和凍土帶發現巨大的天然氣水合物（可燃冰），所含的天然氣總量約有1.1萬億噸，約是其它化石燃料儲量總和的兩倍。如此巨大的能源儲量是21世紀具有良好前景的后續能源，早已成為人們的潛在開采目標和新型能源的熱門研究對象。另外，二氧化碳溫室氣體的有效捕獲和長期安全儲存是人類面臨的一個重大環境挑戰。近年來，研究人員提出CO2促進CH4開采技術概念，將CO2氣體注入可燃冰以實現甲烷（天然氣中絕大多數的成分）的開采及CO2的封存。但是人們對于甲烷和二氧化碳籠型水合物性質的認識還存爭議，尤其是對相關混合相的基本熱力學及在不同壓力和溫度下的穩定性等問題更有待進一步解決。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所核能材料工程實驗室（籌）長期致力于籠型水合物的理論研究。該團隊采用密度泛函理論系統研究了包括甲烷在內的多種氣體分子在常見籠型水合物的水籠子中的吸附結構、主客體間相互作用及最佳氣體占據數等微觀性質，發現了各種氣體分子在不同水籠子中穩定性和主客體間弱相互作用的內在機制，為氣體分子籠型水合物的形成機制提供了新見解（J. Phys. Chem. A 2017, 121, 2620； J. Mol. Struct. 2018, 1153, 292）。水合物的力學性質是水合物的一個基本參數，對于水合物封存、水合物開采、運輸以及儲存具有很好的指導意義。研究發現I型H2S水合物和I型SO2水合物的力學性質相近，但由于分子極性關系與I型CH4水合物相差較大，為氣體置換開采可燃冰力學評估提供了理論依據（Chem. Lett. 2017, 46, 1141）。
在前期的研究基礎上，最近，該團隊進一步使用巨正則蒙特卡洛方法研究了CH4、CO2和其混合氣體（CH4+CO2）在籠型水合物中的吸附特性（如圖）。根據氣體的占據等溫線和空間分布情況，發現CH4和CH4+CO2氣體的吸附行為可認為是單吸附位的Langmuir吸附；而CO2則明顯表現為雙吸附位吸附。另外，根據模擬獲得的占據度微觀性質，進一步預測出CH4、CO2和其混合氣體籠型水合物的相圖宏觀性質。CH4+CO2水合物的相圖處于CH4和CO2水合物之間，說明了往CH4水合物中注入CO2氣體將起穩定作用，提供了CO2促進CH4開采技術可行性的熱力學依據。然而，鑒于煙氣以二氧化碳為主的混合氣體，該團隊率先提出以煙氣為注入氣體置換開采可燃冰來實現甲烷開采和煙氣封存的概念。從預測的氣體吸附性質和水合物相圖來看，SO2，H2S，N2O和CS2雜質氣體也具有置換開采可燃冰中CH4氣體和同時實現溫室氣體封存以獲得凈化環境的能力。因此，從熱力學來說，不必嚴格除去所有煙氣雜質就能具有置換開采可燃冰功能，這將大大降低CO2—CH4置換開采的成本，同時減少酸雨等環境污染。相關研究成果發表在J. Phys. Chem. B 2018, DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b04551； J. Phys. Chem. C 2018，Just Accepted 等學術期刊上。
上述工作得到國家青年千人項目、王寬誠教育基金（rczx0800）、中科院交叉創新團隊、國家自然科學基金青年項目（21707147）、國家自然科學基金面上項目（21875271）等的支持。
CH4和CO2的混合氣體在I型水合物中吸附構型及預測的混合氣體水合物相圖
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