Phase diagram of water–methane by first-principles thermodynamics: discovery of MH-IV and MH-V hydrates

文献情報

出版日 2017-05-17
DOI 10.1039/C7CP01147D
インパクトファクター 3.676
著者

Xiaoxiao Cao, Yingying Huang, Xue Jiang, Yan Su, Jijun Zhao


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要旨

Searching novel gas hydrates is an enduring topic of scientific investigations, owing to its outstanding implications on planetology, the origin of life and the exploitation of energy resources. Taking the methane–water system as a representative, we disclose two new dense methane hydrate phases (MH-IV and MH-V) using the Monte-Carlo packing algorithm and density-functional theory (DFT) optimization. Both of these methane clathrates with (CH4)(H2O)4 stoichiometry can be regarded as filled ices, since their hydrogen bond networks are closely related to that of ice i and ice XI, respectively. In particular, the former ice i network is observed for the first time in all gas hydrates. A new chemical composition phase diagram of methane hydrate is constructed. Our newly identified methane hydrate IV emerges in the transition zone for a water–methane ratio between 2 : 1 and 5.75 : 1. It suggests that our MH-IV phase can be stabilized without external pressure, which is superior to previous reported filled ices to apply to energy storage. These findings attest to the importance of composition effects on the packing mechanism of gas hydrate, and provide new perspectives for understanding the physicochemical and geophysical processes in the giant planets of the solar system.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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