页岩有机质基质中CO2与H2在CH4存在下的吸附行为：分子机制与能源存储优化策略

本文通过巨蒙特卡洛（GCMC）模拟揭示了页岩有机质（kerogen）纳米孔隙中CO2和H2的竞争吸附机制，为地质碳封存（GCS）和地下氢储（UHS）提供微观理论支撑。研究发现H2高压下无吸附饱和特性，其与CH4的竞争选择性首次被揭示，而CO2则通过强相互作用主导孔隙占据，为清洁能源存储优化提供关键依据。

　　

Highlight

本研究首次系统对比了纳米多孔页岩有机质中H₂与CO₂在CH₄存在下的赋存特性。通过巨蒙特卡洛（GCMC）模拟发现：H₂在高压下表现出独特的无饱和吸附行为，其运输效率随摩尔分数增加而提升；而CO₂则通过分子间强相互作用形成密度主导区，二者竞争机制为地下储氢（UHS）和碳封存（GCS）工艺设计提供分子级指导。

Model construction

页岩有机质（kerogen）作为不溶于极性溶剂的碳基大分子，其化学组成和成熟度显著影响流体赋存特性。本研究构建的三维多孔模型通过密度演化验证（1.18 g/cm³）和孔径分布分析（峰值0.7 nm），精准复现了实际页岩的纳米限域效应。

Validation

模型验证阶段显示：1）有机质密度与实验值偏差<2%；2）纯CH₄吸附等温线与文献数据高度吻合（R²>0.98），证实力场参数可靠性。

Conclusions

1）纯H₂吸附量随压力线性增长，而CO₂存在明显饱和点；2）H₂-CH₄体系选择性随压力上升，低H₂摩尔分数时更易占据孔隙而非吸附位点；3）CO₂通过-25 kJ/mol的强吸附能形成致密吸附层，H₂则呈现-10 kJ/mol的弱相互作用集中分布。这些发现为页岩储层多组分气体调控奠定理论基础。