固體所發現新型氫水化合物

發表時間: 2020-12-21 作者:王宇

近期,中科院合肥研究院固體物理所計算物理與量子材料研究部極端環境量子物質中心團隊在高壓科學研究取得新進展,研究團隊利用金剛石對頂砧高壓實驗技術,結合原位拉曼光譜實驗技術、原位X射線衍射實驗技術以及第一性原理計算研究了一種新型氫水合物的形成過程以及結構性質,相關研究成果以Novel Hydrogen Clathrate Hydrate為題發表在物理學評論快報Physical Review Letters (Phys. Rew. Lett.DOI10.1103/physrevlett.125.2557022020)上。助理研究員王宇博士為文章的第一作者。

固態水分子由于氫鍵的存在傾向于形成三維框架結構。在自然界或人為的極端條件下,水分子很可能與其他氣體小分子發生締合,從而產生各種各樣的構型和結構。純水在低于400萬大氣壓以及77-300 K的溫度壓力區間,以存在至少3種非晶相及16種晶相而聞名,具有非常復雜的相圖。這種結構的多樣性也適用于不同的水合物。氣體分子可以通過范德華力與水的籠型結構的相互作用,形成穩定的氣體水合物,使得水本身也成為一種具有潛力的儲氣/氣體分離的材料,例如許多自然環境中存在的大量的天然氣水合物(深海沉積物、著名的百慕大三角區域等)。而氫水合物在行星的形成和演化中則起著至關重要的作用。

王宇博士的研究工作發現在120萬大氣壓298 K下純氫與純水形成的一種新型水合物,水合物中氧原子亞晶格的排布與純水的固體相(ice II)中氧原子相同,而水合物中的氫分子位于氧原子構成的六環形空腔中,整個水合物的空間對稱性滿足三角R3cR-3c空間群(質子有序或無序),其分子式組成為(H2O·6H2。拉曼光譜和理論計算揭示了新相C1'中的氫無序性質,其不同于眾所周知的有序相C1,這種新結構在壓力升高或溫度降低后會轉變為C1相。它也可以被看作是有序冰ice II的無序結構,與其他所有已發現的有序冰結構(如ice I ice XIice VIIice VIII)均不同,是一種新型無序冰結構。

該工作得到了國家自然科學基金、國家重大科研儀器研制、科學挑戰專題以及院長基金等項目的支持。

文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.255702

                                                   1. 氫水合物C1C1'iceⅡ相的拉曼光譜。

 

2. 水合物C1' R-3c對稱性下的結構,其中主要結構模型(H2O環)以不同的投影顯示,顯示出兩種不同的無序模式,環狀無序(在由六個氧原子構成的類似扶手椅的虛擬平面)和無環(平面外)無序。

       圖3. C1'相的粉末衍射數據。紅色短刻度對應于R-3c空間群,藍色短線對應R3?(與ice相同)結構的空間群。

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