Exploring Guest–Host Interactions in Gas Hydrates: Insights from Quantum Mechanics

范德瓦尔斯力 笼状水合物 分子 量子化学 化学物理 化学 水合物 有机化学
作者
Hao Chen,Kefeng Yan,Zhaoyang Chen,Xiao-Sen Li,Yu Zhang,Chun‐Gang Xu
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:35 (22): 18604-18614 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.1c02948
摘要

Gas hydrates are comprised of guest molecules and host cages. The stability of a gas hydrate is determined by the host–guest interactions. In this work, the relationship between the characteristics of the guest molecules and the gas hydrate stability were systematically investigated using quantum mechanics (QM) calculations. The physical components (ΔEexch, ΔEind, ΔEelst, and ΔEdis) of the host–guest interaction energy (ΔEhost–guest) of 21 types of gas hydrate clusters were investigated by symmetry-adapted perturbation theory (SAPT). Correlation analyses revealed that ΔEexch, ΔEind, ΔEelst, and ΔEdis had good linear relationships with ΔEhost–guest. In addition, the molecules (CO2, H2S) with a high value for the electrostatic interaction (ΔEelst) have a distinct characteristic in the host–guest interactions. The molecular electrostatic potential (ESP), van der Waals (vdW) volume, and vdW surface areas were calculated to explore those distinct characteristics. The results show that the molecules with higher maximum (Vs,max) points of the ESP values have a higher stabilization in the host–guest interactions. It was concluded that the vdW volumes or vdW surface areas and the Vs,max values of the guest molecules are the key factors for the stability of gas hydrates.
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