天然气在全球能源体系中承担着由传统化石能源向低碳能源过渡的重要角色，但其消费需求具有明显的波动性，使得高密度、低能耗的储存与释放技术成为亟需解决的工程问题。水合物固态储气技术因其安全性高、储存密度大而备受关注，其中将多孔材料与水合物过程相结合的吸附-水合法被认为是提升甲烷储存性能的有效路径。然而，该方法在实际应用中仍面临两大核心矛盾：一方面，水合物生成过程缓慢，难以满足高效储存需求；另一方面，ZIF-8 等多孔材料中吸附甲烷的释放往往依赖高温条件，能耗较高。
针对这一“生成慢、释放难”的双重瓶颈，华南理工大学樊栓狮教授团队提出引入余弦振荡电场作为外部调控手段，通过分子尺度调节水分子取向、氢键网络及气-液界面行为，以实现甲烷在ZIF-8 吸附-水合体系中的高效存储与可控释放。为揭示其内在机制，作者采用分子动力学模拟方法，系统考察了电场强度、频率及施加方式对 ZIF-8 吸附行为和水合物生长/分解过程的影响。
图1 未施加电场和施加1.0 V/nm、4.0THz电场条件下ZIF-8结构性质对比：(a)介电常数，(b) 均方根偏差
图2 不同电场条件下ZIF-8吸附和解吸甲烷效果：(a)不同电场条件下ZIF-8吸附甲烷的质量分数，
(b)273 K、0.1 MPa和不同电场条件下，ZIF-8解吸后残余甲烷百分比(c) 不同电场强度下，ZIF-8中残余甲烷数量变化
(d)不同电场频率下，ZIF-8中残余甲烷数量变化（青色区域：未施加电场，白色区域：施加电场）
图1和图2分别展示了ZIF-8在电场中的结构响应和甲烷吸附-解吸行为的变化。研究表明，余弦振荡电场对 ZIF-8 本身的甲烷吸附容量影响有限，但能够显著削弱甲烷在孔道中的滞留效应，从而极大提升解吸效率。在 1.0 V·nm⁻¹、8.0 THz 电场条件下，ZIF-8 中甲烷的残留率大幅降低，解吸比例接近完全释放水平，为避免传统高温解吸提供了新的物理途径。
图3 模拟过程水合物笼数量随时间的变化：
(a) 0 V/nm、0THz，(b) 0.1 V/nm、1.0THz，(c) 0.5 V/nm、1.0THz，(d) 1.0 V/nm，1.0THz
在水合物生成阶段，电场的作用则表现出更为复杂的”促进-破坏并存”特征，如图3所示。适中的电场强度能够通过调节水分子的取向与运动状态，提高体系的结构有序度并促进水合物笼的稳定生成；而过强电场则会破坏水分子间的氢键网络，导致水合物结构失稳甚至分解。在 0.5 V·nm⁻¹、1.0 THz 条件下，ZIF-8 颗粒间隙中甲烷水合物保持高速且稳定的生长，其生长速率显著高于无电场体系。
图4 不同电场频率下水合物总笼数和F4序参数随时间的变化:(a) 水合物总笼数，(b) F4序参数
图4的结果表明，电场频率在水合物调控过程中并非单调作用，而是存在明显的“有效窗口区间”。在固定电场强度下，仅有特定频率范围能够增强水合物生成，而偏离该区间则会诱导结构分解。例如，在 1.0 V·nm⁻¹ 强度下，2.0-5.0 THz 的频率范围最有利于水合物生长；当频率过高时，水分子与电场发生共振，氢键被持续破坏，导致水合物呈现反复分解与再生行为。
图5不同电场施加方式下ZIF-8晶间水合物笼数量以及氢键数量随时间的变化: (a)恒定施加1.0 V/nm、4.0THz电场，
(b) 0 ns~522 ns施加1.0V/nm、4.0 THz电场，522ns~800 ns施加0.5 V/nm、1.0THz电场，
(c) 0 ns~522 ns施加1.0V/nm、4.0 THz电场，522ns~800 ns不施加电场，
(d) 不同电场施加方式下ZIF-8晶间氢键随时间的变化（白色区域为1.0V/nm、4.0 THz，青色区域为改变电场后模拟）
基于上述认识，作者进一步提出间歇式电场调控策略：在水合物快速生长阶段施加高频电场以增强气-液相互作用，在结构趋于不稳定前及时降低或撤除电场，使体系在保持高生长速率的同时避免水合物解体。图5对比了不同电场施加方式下ZIF-8晶间甲烷水合物的生长行为。模拟结果表明，该策略可使水合物生长速率提升至无电场条件下的 5 倍以上，并显著提高最终甲烷捕集量。
总体而言，该研究从分子尺度揭示了余弦振荡电场在 ZIF-8 吸附-水合储甲烷体系中对“储-放”全过程的协同调控机制，为实现低能耗、高效率的天然气储存与快速释放提供了新的思路，也为外场耦合水合物技术的工程化应用奠定了理论基础。
相关工作成果近日以“电场辅助的 ZIF-8 吸附水合甲烷的储存与释放：分子视角”(Electric fields assisted ZIF-8 adsorption hydration methane storageand release: A molecular insight)为题发表在水合物领域国际期刊《Energy & Fuels》。
文章通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授，第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生李常乐，论文作者还包括化学与化工学院王燕鸿副研究员、郎雪梅副研究员和李刚教授。该研究得到了广州市重点研发计划（项目编号：202206050002、202206050001）以及国家自然科学基金（项目编号：21736005、51876069）的支持。
