Stability and NMR Chemical Shift of Amorphous Precursors of Methane Hydrate: Insights from Dispersion-Corrected Density Functional Theory Calculations Combined with Machine Learning

水合物 成核 笼状水合物 密度泛函理论 甲烷 无定形固体 化学物理 化学 分子 色散(光学) 化学位移 分子动力学 计算化学 结晶学 物理化学 有机化学 物理 光学
作者
Keyao Li,Pengju Wang,Lingli Tang,Ruili Shi,Yan Su,Jijun Zhao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:125 (1): 431-441 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.0c09162
摘要

Clathrate hydrates of natural gases are important backup energy sources. It is thus of great significance to explore the nucleation process of hydrates. Hydrate clusters are building blocks of crystalline hydrates and represent the initial stage of hydrate nucleation. Using dispersion-corrected density functional theory (DFT-D) combined with machine learning, herein, we systematically investigate the evolution of stabilities and nuclear magnetic resonance (NMR) chemical shifts of amorphous precursors from monocage clusters CH4(H2O)n (n = 16–24) to decacage clusters (CH4)10(H2O)n (n = 121–125). Compared with planelike configurations, the close-packed structures formed by the water-cage clusters are energetically favorable. The 512 cages are dominant, and the emerging amorphous precursors may be part of sII hydrates at the initial stage of nucleation. Based on our data set, the possible initial fusion pathways for water-cage clusters are proposed. In addition, the 13C NMR chemical shifts for encapsulated methane molecules also showed regular changes during the fusion of water-cage clusters. Machine learning can reproduce the DFT-D results well, providing a structure–energy-property landscape that could be used to predict the energy and NMR chemical shifts of such multicages with more water molecules. These theoretical results present vital insights into the hydrate nucleation from a unique perspective.
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