その場観測核磁気共鳴法によるカーボンナノチューブ内ガスハイドレート形成機構の研究

原位观测核磁共振方法研究碳纳米管中天然气水合物形成机理

基本信息

批准号：
18740210
负责人：
松田和之
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

単層カーボンナノチューブ(SWNT)内部でのガスハイドレート形成を明らかにするために,その基礎実験として核磁気共鳴(NMR),X線回折,電気抵抗測定,および古典分子動力学(MD)シミュレーションの手法を用いてSWNTの内部ナノ空間でのメタン分子,水分子等の挙動を調べた。また,昨年度に見出されたSWNT内部の吸着水分子が雰囲気ガス分子に交換される"内包分子の交換転移"についても調べた。実験にはレーザー蒸発法で作製された平均直径1.34nm,2.0nmの高品質SWNTバンドル試料を用いた。メタンCH_4及びCD_4の^1H,^2H核のNMR測定を行った結果,SWNT内部に吸着したメタンは35Kで相転移を起こし気体から液体に変化し,さらに低温では固体状態にあることが明らかになった。また,固体状態のメタンは20Kでメタン分子の配向状態に関する相転移を起こし,分子の運動状態が自由回転運動からジャンピング的束縛回転運動に変わることを明らかにした。これらSWNT内部のメタン分子の挙動はMDシミュレーションによっても調べられ,その結果低温でのメタン固体の構造はSWNT内壁に沿って2次元三角格子を構成するようにメタン分子が配置された最密構造であることがわかった。また,平均直径2.0nmのSWNTに吸着した水の挙動を調べた結果,SWNT内部の水は220Kで液体固体相転移を起こすことが明らかとなった。さらに低温構造は平均直径1.34nmのSWNT内部で形成されるようなアイスナノチューブ構造ではなく,アモルファス状態にあることがわかった。また平均直径2.0nmのSWNTでもメタン分子と水分子の交換転移が確認された。

为了澄清单壁碳纳米管内部的水合物形成（SWNT），使用核磁共振（NMR），X射线衍射，电抗性测量方法（X射线磁共振）（X射线磁共振）（NMR），研究了SWNT的内部纳米空间中甲烷分子，水分子等的行为。我们还研究了去年发现的“封装分子的交换转移”，其中SWNT内部吸附的水分子与大气气体分子交换。该实验使用的是通过激光蒸发制备的高质量SWNT束样品，平均直径为1.34 nm和2.0 nm。甲烷CH_4和CD_4的 ^1H和 ^2H核的NMR测量表明，在SWNT内吸附的甲烷在35K处进行相变，从气体转变为液体，然后在低温下以固态处于固态。还揭示了固态处的甲烷在20K处进行相对于甲烷分子的方向进行相变，并且分子的运动状态从自由旋转变为跳跃结合的旋转运动。还通过MD模拟研究了这些SWNT内部的甲烷分子的行为，结果，发现甲烷固体在低温下的结构是一种紧密联系的结构，在该结构中，甲烷分子被布置在SWNT的内壁上形成二维三角形晶格。此外，在平均直径为2.0 nm的SWNT上吸附的水的行为表明，SWNT内部的水经历了220 K的液相固相过渡。此外，发现低温结构是无定形状态，而不是在平均直径为1.34 nm的SWNT内形成的SWNT。此外，在平均直径为2.0 nm的SWNT中，还证实了甲烷和水分子之间的交换转移。