新エネルギー資源としてのクラスレートハイドレートの相安定性検討

1)複数のゲストが占有したガスハイドレートの熱力学安定性:クラスレートハイドレートの相図を分子レベルで正確に予測できるモデルを開発した。このモデルはゲスト分子のホスト格子への影響を考慮し、計算に用いる熱力学ポテンシャルの温度と圧力の適用範囲を広げ、van der WaalsとPlatteeuの理論を大きく改良した。メタン、キセノンハイドレートに関するガス-ガスハイドレート-氷Ihの相平衡の理論研究を行い、得られた結果は実験データとよく一致していた。2)ガスハイドレートの自己保存効果:分子動力学および格子力学に基づく理論モデルにより水とハイドレートの界面の存在と氷の相中のメタンハイドレートの熱力学的に安定なナノクラスターの可能性を示した。シミュレーションによりガスハイドレートの異常な保存効果を作り出す氷の役割を調べた。メタンハイドレートを取り込んだ氷の相は常圧でメタンハイドレートが解離する温度よりも高い温度で安定に存在することが示された。氷の相に取り込まれたメタンハイドレートクラスターの圧力は氷の相の圧力よりも大変高く、250Kにおけるハイドレート相の余分な圧力はガスハイドレートを相図中の熱力学的安定性の領域に入れるのに十分なものであることが示された。3)ガスハイドレート核形成メカニズム:メタンハイドレートの場合、第一原理計算により次の核形成メカニズムが明らかになった。メタンハイドレート形成の最初のステップで、メタンは大きなケージよりも小さなケージをより安定にするために、メタンが入った小さなキャビティが形成される。その後、小さなキャビティは周囲の水分子と水素結合を形成し始め、少数の水分子で水素結合ネットワークが安定化される。さらに、小さなケージ間のメタン分子がキャビティの接着を防ぐために必要である。

1)複数のゲストが占有したガスハイドレートの熱力学安定性:クラスレートハイドレートの相図を分子レベルで正確に予測できるモデルを開発した。このモデルはゲスト分子のホスト格子への影響を考慮し、計算に用いる熱力学ポテンシャルの温度と圧力の適用範囲を広げ、van der WaalsとPlatteeuの理論を大きく改良した。メタン、キセノンハイドレートに関するガス-ガスハイドレート-氷Ihの相平衡の理論研究を行い、得られた結果は実験データとよく一致していた。2)ガスハイドレートの自己保存効果:分子動力学および格子力学に基づく理論モデルにより水とハイドレートの界面の存在と氷の相中のメタンハイドレートの熱力学的に安定なナノクラスターの可能性を示した。シミュレーションによりガスハイドレートの異常な保存効果を作り出す氷の役割を調べた。メタンハイドレートを取り込んだ氷の相は常圧でメタンハイドレートが解離する温度よりも高い温度で安定に存在することが示された。氷の相に取り込まれたメタンハイドレートクラスターの圧力は氷の相の圧力よりも大変高く、250Kにおけるハイドレート相の余分な圧力はガスハイドレートを相図中の熱力学的安定性の領域に入れるのに十分なものであることが示された。3)ガスハイドレート核形成メカニズム:メタンハイドレートの場合、第一原理計算により次の核形成メカニズムが明らかになった。メタンハイドレート形成の最初のステップで、メタンは大きなケージよりも小さなケージをより安定にするために、メタンが入った小さなキャビティが形成される。その後、小さなキャビティは周囲の水分子と水素結合を形成し始め、少数の水分子で水素結合ネットワークが安定化される。さらに、小さなケージ間のメタン分子がキャビティの接着を防ぐために必要である。