天然气（NG）是最清洁燃烧的化石燃料，在满足全球能源需求方面发挥着至关重要的作用，以占全球能源需求的24％，并且预计到2040年都将以约2％的速度增长。在目前这个天然气的黄金时代，便更加迫切需求有效的且高效的天然气储存与运输方式。以水合物的形式存储和运输天然气（被称为固体天然气技术（SNG））则是一种有前途的替代方案。目前SNG技术发展的难点则在于，如何使得天然气水合物能在更加温和的条件下形成，同时具有较短的诱导时间，较快的生成速率以及较大的储气量。而制约水合物生长的主要因素有水合物本体的传热性能差，从而在水合物生成过程中产生的热量积累，制约水合物的进一步生成。

图1 EG体系中甲烷水合物形成的微观示意图

近日，华南理工大学樊栓狮教授团队提出了仅用一种材料膨胀石墨(EG)在水合物反应气液界面构建了提高气体浓度、成核位置和换热效率的协同模式来促进水合物的形成（图1），即利用膨胀石墨（EG）改善水合过程中水合热不能有效移除的问题，同时通过增加水合物成核位点实现了提高水合物储气速度与储气量。该文在273.2K，5~8 MPa的条件下，研究了EG对甲烷水合物生成的增强动力学（图2）。结果表明，与液态水体系相比，纯膨胀石墨体系能够使水合物快速的形成，而EG+300ppmSDS体系则能够极大地提高水合物生成动力学，在273.K、6MPa下，最大储气量达到了190.4 STP/g H₂O，最大储气速度达到了20.84 cm³·g⁻¹·min⁻¹。在施加的不同压力下，EG+300ppmSDS体系甲烷吸收量比纯SDS溶液增加了11.90%～26.18%，最大储气速度增加了15.09%~51.67%，EG+300ppmSDS体系在相对较低的压力下就可以使水合物达到~90%的饱和度。另一方面，在相同的温度和压力条件下，EG体系的储气量和平均储气率分别比石墨和碳纳米管等其他碳材料高1.12-1.37倍和1.67-30.17倍。因此，进一步研究EG的促进机制和扩展实验，有望在今后的工作中为SNG工艺的商业化应用提供有效途径。

图2膨胀石墨和SDS存在下甲烷水合物(a)最大储气容量和(b)储气速率的比较，以及与不同碳材料(c)最大储气容量和(d)平均储气速率的比较

相关研究成果以“膨胀石墨促进天然气水合物生成的研究：以适用于基于水合物的高效储气应用”（Promoting methane hydrate formation with expandedgraphite additives: Application to solidified natural gas storage）为题发表在水合物领域国际期刊《Fuel》。本文第一作者为华南理工大学化学与化工学院2019级博士生邓治夏，通讯作者为樊栓狮教授，本项目得到了国家自然科学基金项目(21736005)的资助。

原文：

Zhixia Deng, Yanhong Wang, Chi Yu, Gang Li, Xuemei Lang, Shenglong Wang, Shuanshi Fan*, Promoting methane hydrate formation with expanded graphite additives: Application to solidified natural gas storage, Fuel, 2021,299,120867 

https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120867