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Microscopic Insights into Hydrate Cage Decomposition and CO2 Release of CO2+ TBAB Double Hydrate in Cold Energy Discharge

水合物 分解 笼子 材料科学 笼状水合物 化学 有机化学 工程类 结构工程
作者
Kairan Yang,Zejun Han,Peng Zhang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:129 (36): 9229-9239
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.5c03829
摘要

Semiclathrate tetrabutylammonium bromide (TBAB) hydrate can incorporate gas CO2 to form CO2 + TBAB double hydrate, which is an ideal gas and energy storage material due to its high energy density and favorable phase change conditions for refrigeration applications. In this study, the dissociation behaviors and underlying mechanism of this CO2 + TBAB double hydrate at the microscale for energy release are studied through molecular dynamic simulations under thermal-driven conditions (283 K-301 K). The results indicate that two distinct hydrate cages (CO2 512 cages and TBAB semiclathrate cages) decompose in a stepwise manner during dissociation and exhibit distinct features. For the TBAB semiclathrate cage, the TBA+ ions initially adsorb on the hydrate surface as cages collapse and ultimately diffuse to the liquid phase. This phenomenon is attributed to the strong interaction between TBA+ ions and the hydrate cages strengthens the stability of the TBAB semiclathrate cage and empty the 512 cage after CO2 release. For the CO2 512 cage, the cages deform and decompose upon the release of the encaged CO2 molecules. The temperature dependence on the dissociation rate of the CO2 + TBAB double hydrate could be described using the Arrhenius formula, with the activation energy determined to be 61.53 kJ mol-1. A reduction in the 512 cage occupancy greatly diminishes hydrate stability and promotes the hydrate dissociation rate. Furthermore, the regulation of the CO2 molecule on hydrate dissociation is realized through affecting the reformation of the 512 cage. The increase of the CO2 molecule concentration in the liquid phase shows an inhibitory effect on the release of the CO2 molecule from the hydrate cage because the possibility of reformation of the 512 cage at the hydrate surface increases, providing microscopic insights into the dissociation behavior of hydrate induced by depressurization at the macroscopic scale.
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