岩盐层中氢气和甲烷扩散特性的分子动力学模拟比较研究：对盐穴储氢安全性的启示

本研究针对盐穴储氢中氢气高扩散性带来的安全隐患，通过分子动力学模拟(MD)定量比较了氢气和甲烷在纳米级岩盐狭缝孔隙中的扩散行为。研究发现氢气扩散系数是甲烷的6.42-12.35倍，甲烷在孔隙壁面吸附密度高出1.72-2.23倍，且扩散活化能低0.424-0.724 kcal/mol。研究揭示了气体-矿物相互作用、空间限制和气体间相互作用三种活化能组分，为盐穴储氢设计提供了原子尺度依据。

　　

在全球能源转型的背景下，氢能作为零碳排放的清洁能源载体备受关注。然而，大规模氢能存储面临严峻挑战，其中盐穴储氢被认为是最具前景的解决方案之一。但与传统天然气（主要成分为甲烷）相比，氢气分子更小、扩散性更强，在岩盐地层中的渗透行为可能引发安全隐患。这一科学问题直接关系到储氢设施的长期稳定性和运行安全，但目前缺乏原子尺度上对氢气和甲烷扩散行为的系统比较研究。

中国科学院武汉岩土力学研究所的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，通过分子动力学模拟方法，首次在纳米尺度上定量比较了氢气和甲烷在岩盐狭缝孔隙中的扩散特性差异。研究发现，在333.15 K和15 MPa条件下，氢气扩散系数是甲烷的6.42-12.35倍；甲烷在孔隙壁面表现出更强的吸附性（吸附能低0.730-1.029 kcal/mol），其壁面聚集密度是氢气的1.72-2.23倍；而氢气则在孔隙中部形成二次密度峰。研究还创新性地将扩散活化能分解为气体-矿物相互作用、空间限制和气体间相互作用三个组分，发现氢气克服空间限制所需的能量高于甲烷，这可能与其更小的分子直径有关。

研究采用了多项关键技术方法：通过X射线衍射(XRD)和氮气吸附(BET)测试确认岩盐样品的矿物组成和孔隙特征；构建纳米级岩盐狭缝孔隙模型；采用分子动力学(MD)模拟计算气体扩散系数；通过密度分布分析吸附行为；运用活化能分解方法定量分析扩散能垒组成。研究样本来源于实际盐穴储层岩心。

【扩散系数】部分显示，氢气的扩散系数在不同矿物孔隙中变化较小，但在岩盐孔隙中表现出更强的各向异性，其横向与纵向扩散系数比高于甲烷。

【扩散特性讨论】部分揭示，甲烷由于更强的范德华力作用，在孔隙壁面形成高密度吸附层；而氢气分布更均匀。活化能分析表明，随着孔隙增大，气体间相互作用逐渐主导扩散过程，氢气最终活化能稳定在0.915 kcal/mol，低于甲烷的1.642 kcal/mol。

【结论】部分总结了三个重要发现：首先，氢气扩散能力显著高于甲烷；其次，甲烷在孔隙壁面表现出更强的吸附聚集；第三，扩散活化能差异主要源于气体-表面相互作用和分子尺寸效应。这些发现为理解气体在岩盐中的传输机制提供了原子尺度见解。

该研究的科学价值在于：首次系统比较了氢气和甲烷在岩盐纳米孔隙中的扩散行为差异；创新性地提出了扩散活化能的三组分分解方法；为盐穴储氢的选址评估、安全设计和泄漏防控提供了理论依据。特别是关于氢气克服空间限制需要更高能量的发现，修正了传统认为小分子扩散能垒必然较低的观点。这些成果不仅对能源存储领域有重要指导意义，其研究方法也可推广至其他多孔介质中的气体传输研究。