X射线粉晶衍射-拉曼光谱法研究含甲烷双组分水合物结构及谱学特征

孟庆国， 刘昌岭*， 李承峰， 郝锡荦

(1.自然资源部天然气水合物重点实验室， 青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室， 山东 青岛 266237)

天然气水合物是天然气(主要为甲烷)与水在低温高压环境下形成的类冰状物质，是一种新型能源资源，广泛分布于全球深海沉积物和陆域冻土中。近年来，我国在南海海域进行了2次天然气水合物试采均获得成功[1-2]，证实了海域水合物资源的可采性，也促使其成为一种新矿种。天然气水合物“主体”水分子通过“氢键”形成大小和形状不一的“水笼”，而“客体”分子被包裹在“水笼”中，进而形成了Ⅰ型、Ⅱ型和H型等三种常见的结构类型[3]。天然气水合物的晶体结构与其形成分解机理、稳定性及储气性能等关系密切，特别是含CH4组分水合物的微观结构特征研究可为天然气水合物样品识别[4-9]、微观动力学监测[10-17]、储气与分离技术评价[18-23]等应用基础研究提供重要的理论支持。

目前，针对甲烷等单组分水合物的相关研究较为深入，但对客体分子组成复杂的水合物，特别是含甲烷多组分水合物的结构及拉曼光谱特征研究尚显不足[24]。X射线粉晶衍射法(PXRD)是研究水合物晶体结构特征的重要手段[4-5,25-29]。研究发现，单组分水合物的结构类型与客体分子的大小有关[3]。通常条件下，甲烷、乙烷、二氧化碳等分子生成Ⅰ型结构，而丙烷、丁烷等大分子以及氮气、氧气等小分子则生成Ⅱ型结构。……