第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

237 / 2021-06-17 08:25:16

甲烷水合物中水分子及氢键的拉曼特征谱带研究

甲烷水合物,原位拉曼光谱,伸缩振动模式,分子间氢键

天然气水合物理论与技术

本文利用共焦拉曼成像显微镜原位观测了甲烷水合物的形成过程，揭示了水合物形成过程中客体分子与水分子晶格间相互作用的变化趋势。不同时刻获得的拉曼光谱图展示出了水分子O-H伸缩振动宽谱带随甲烷水合物形成过程的稳定演化趋势，其中最明显的现象是水分子对称伸缩振动的拉曼特征峰（～3150cm^-1）的强度逐渐增大。该现象表明随着甲烷分子笼占率的增加，水合物结构也变得更加有序，进而导致水分子O-H对称伸缩振动得以增强。与水分子O-H伸缩振动带宽谱带的渐变趋势不同，分子间氢键的拉曼特征峰在4～6小时间发生了一次突变，这是由于在扫描点位处发生了由液态水至固态水合物的相态转变，氢键数目产生了数量级上的增加。此外，随着甲烷水合物结构四面体序的增强，200cm^-1附近氢键的伸缩振动特征峰的相对强度也呈现出相对增长的趋势。总结而言，因为水分子的O-H伸缩振动与分子间氢键的拉曼特征峰均随着水合物结构稳定性的增加而发生定向演变，通过针对拉曼谱图的定量分析就可以表征水合物的生长状态，并作为液态水-水合物相变过程中系统无序性的判据。此外，利用氢键的拉曼特征峰在水合物相变前后会发生突变的现象，能够作为识别水合物结晶过程的判据，在实验室内水合物合成研究和野外水合物勘探中具有广阔的应用前景。