碳納米粒子促進(jìn)水合物生成的研究進(jìn)展

陳利濤，劉 妮，劉庭崧，王 鵬

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

在低溫高壓條件下，CO、CH、CH等氣體小分子與水分子結(jié)合形成的籠型化合物稱(chēng)為氣體水合物，其按結(jié)構(gòu)可分為三種類(lèi)型：Ⅰ型、Ⅱ型和H 型。目前，水合物技術(shù)已應(yīng)用于油氣儲(chǔ)運(yùn)、氣體分離、空調(diào)蓄冷等領(lǐng)域。全球范圍內(nèi)甲烷水合物的有機(jī)含碳量超過(guò)了所有化石燃料的碳總量。CO水合物在蓄冷空調(diào)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

然而，氣體水合物生成速率低，生成條件苛刻，這極大地影響了生產(chǎn)效率。研究者通常使用物理法和化學(xué)法來(lái)促進(jìn)氣體水合物生成。物理法包括鼓泡、噴霧、攪拌等方法，通過(guò)物理手段可增大氣液接觸面積。但該方法能耗高，不適合商業(yè)應(yīng)用?；瘜W(xué)法是通過(guò)添加促進(jìn)劑來(lái)改善水合物的生成條件，該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低。傳統(tǒng)的促進(jìn)劑可分為熱力型促進(jìn)劑和動(dòng)力型促進(jìn)劑兩類(lèi)，其中四丁基溴化銨（TBAB）、四氫呋喃（THF）等熱力型促進(jìn)劑可以改善水合物相平衡條件；十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）等動(dòng)力型促進(jìn)劑可促進(jìn)水合物成核和生長(zhǎng)，提高生成速率和儲(chǔ)氣量。以上促進(jìn)劑多數(shù)易發(fā)泡，有毒，且用量大，不適合工業(yè)推廣，因此仍有必要尋求新的促進(jìn)劑。

近年來(lái)，納米材料因其比表面積大、導(dǎo)熱性強(qiáng)、用量小等特性，受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。常用納米材料可分為：納米金屬，如納米銅（Cu）、納米銀（Ag）等；納米金屬氧化物，如納米四氧化三鐵（FeO）、納米氧化鋅（ZnO）、納米氧化銅等；碳納米材料，如碳納米管（CNT）、氧化石墨烯（GO）、納米石墨（GN）等。其中，碳納米材料由于具有理化性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)境友好等特點(diǎn)，近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)其開(kāi)展研究得到的成果頗多。這些研究多集中于碳納米管、氧化石墨烯、納米石墨等材料。本文主要綜述了上述幾種碳納米材料對(duì)水合物生成的影響，側(cè)重于闡述碳納米材料對(duì)水合物形成誘導(dǎo)時(shí)間、耗氣量、儲(chǔ)氣量等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，并分析其促進(jìn)機(jī)理。

1 水合物生成性能評(píng)價(jià)方法

1.1 誘導(dǎo)時(shí)間

氣體水合物的生成可分為兩部分：成核、生長(zhǎng)。水合物成核過(guò)程是指氣體小分子和水分子形成的晶核達(dá)到一個(gè)可以繼續(xù)生長(zhǎng)的、穩(wěn)定的臨界尺寸的過(guò)程。成核過(guò)程結(jié)束后，水合物就進(jìn)入生長(zhǎng)階段。而誘導(dǎo)時(shí)間的概念便由此引出。誘導(dǎo)時(shí)間可定義為從系統(tǒng)首次達(dá)到相平衡狀態(tài)的時(shí)間到水合物成核完成的時(shí)間，也可定義為從初始平衡狀態(tài)到晶體可見(jiàn)的時(shí)間。由于水合物成核完成即晶核達(dá)到一個(gè)臨界尺寸不易被及時(shí)觀(guān)測(cè)，屬于微觀(guān)范疇，所以本文所提及的誘導(dǎo)時(shí)間被定義為系統(tǒng)由相平衡狀態(tài)到溶液中出現(xiàn)大量可視化水合物晶體或反應(yīng)溫度突升時(shí)所用的時(shí)間。

1.2 耗氣量

耗氣量是表征水合物生成量大小的重要指標(biāo)。由于本文所涉及的實(shí)驗(yàn)均在高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，其體積保持不變，所以可采用氣體狀態(tài)方程與Peng-Robinson 數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法來(lái)確定反應(yīng)過(guò)程的耗氣量，公式為

式中： Δ為 耗氣量，mol；、P分別為0 時(shí)刻、時(shí)刻反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，Pa；、T分別為0時(shí)刻、時(shí)刻反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，K；為氣體常數(shù)，值為8.314 J·mol·K；、V分別為0時(shí)刻、時(shí)刻反應(yīng)釜內(nèi)氣相的體積，m；、Z分別為0 時(shí)刻、時(shí)刻無(wú)量綱壓縮系數(shù)。

式中：為 反應(yīng)釜的體積，m；為添加溶液的體積，m；為時(shí)刻反應(yīng)水的體積，m；為時(shí)刻水轉(zhuǎn)化至水合物的體積，m。

、可分別通過(guò)式（3）、（4）計(jì)算，即

1.3 氣體消耗率

氣體消耗率（）常用來(lái)表征水合物的生成速率，其計(jì)算式為

式 中：、分 別 為t、t時(shí) 刻 耗 氣量，mol；為水的初始物質(zhì)的量，mol。

1.4 儲(chǔ)氣量

一般情況下儲(chǔ)氣量是指標(biāo)準(zhǔn)狀況下，單位體積水合物存儲(chǔ)的氣體體積，其理論計(jì)算公式為

恒容條件下有

式中：為儲(chǔ)氣量；、分別為反應(yīng)初始時(shí)和反應(yīng)結(jié)束時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，Pa；、分別為反應(yīng)初始時(shí)和反應(yīng)結(jié)束時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，K；為水合物生成過(guò)程中反應(yīng)釜中所消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體體積，m；、分別為反應(yīng)初始時(shí)和反應(yīng)結(jié)束時(shí)無(wú)量綱壓縮系數(shù)；為水合反應(yīng)結(jié)束時(shí)天然氣水合物的體積，m；為初始用水的體積，m；為構(gòu)成水合物晶腔的液態(tài)水體積，m；為水的密度，kg·m；為水合物空腔的密度，kg·m；為水合物空腔體積，m；為構(gòu)成水合物晶腔的液態(tài)水質(zhì)量，kg。

恒壓條件下有式中，Δ為對(duì)水生成水合物過(guò)程中由于體積膨脹而對(duì)數(shù)值進(jìn)行的一個(gè)修正。

Makogon指出：對(duì)于I 型水合物，Δ=4.6 mL·mol；對(duì)于II 型水合物，Δ=5.3 mL·mol。

2 碳納米管對(duì)水合物生成的影響

2.1 誘導(dǎo)時(shí)間

碳納米管為黑色粉末狀，其管道結(jié)構(gòu)特殊，并且存在大量微小孔隙，具有極大的比表面積。碳納米管可分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT 的直徑為0.6～2 nm。MWCNT 最內(nèi)層直徑約為0.4 nm，最外層直徑可達(dá)到數(shù)百nm。因MWCNT 的比表面積更大，更有利于水合物生成，故在促進(jìn)水合物生成實(shí)驗(yàn)中多使用MWCNT 以及經(jīng)特殊加工處理后的功能化碳納米管。

Nashed 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了羥基多壁碳納米管（OH-MWCNT）、羧基碳納米管（COOHMWCNT）和未經(jīng)處理的MWCNT 二氧化碳水合物生成動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明，在一定的熱力學(xué)條件下，上述功能化碳納米管存在時(shí)誘導(dǎo)時(shí)間均為65 min 左右。Xia 等的研究表明，碳納米管的加入并未明顯縮短二氧化碳水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間。而Abedi-Farizhendi 等的研究表明，加入MWCNT 使得丙烷水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間最高可縮短99%。Song 等合成的一種帶金屬納米粒子的碳納米管也可使得甲烷水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間大大縮短。盛淑美等在生成水合物的混合體系（CH-CO-TBAB）下加入MWCNT，發(fā)現(xiàn)其水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間縮短了77.6%，且在一定條件下，隨著碳納米管濃度的增加，誘導(dǎo)時(shí)間逐漸變短。

分析認(rèn)為，碳納米管材料具有很高的比表面積，傳熱性能良好，但水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間易受實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)方法等外部因素的影響，且原始碳納米管和功能化碳納米管兩者的促進(jìn)效果也不盡相同。結(jié)合上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功能化碳納米管對(duì)誘導(dǎo)時(shí)間有明顯的促進(jìn)作用。

2.2 耗氣量

Park 等早在2010 年就使用MWCNT 進(jìn)行甲烷水合物生成的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與純水體系相比，MWCNT 體系下甲烷消耗量提高了300%。 Song 等分 別 使 用 經(jīng) 處 理 的Ag@OCNTs-2 和Cu@OCNTs-2 與SDS 進(jìn) 行甲烷水合物生成實(shí)驗(yàn)對(duì)比。Ag@OCNTs-2 和Cu@OCNTs-2 兩種納米材料在極低濃度（SDS濃度的1/10）下，甲烷消耗量仍高于SDS 體系，這表現(xiàn)出其作為動(dòng)力學(xué)促進(jìn)劑的極大優(yōu)勢(shì)。

盛淑美等在CO+CH+38.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）TBAB+不同濃度的MWCNT 體系下，在同一過(guò)冷度條件下，加入MWCNT 后氣體消耗量明顯變大，且MWCNT 濃度越高，氣體消耗量越大。同樣，Abedi-Farizhendi 等在MWCNT 和SDS 兩種體系下進(jìn)行的丙烷水合物生成實(shí)驗(yàn)研究中也得到了相同的結(jié)果。

綜合上述學(xué)者的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，碳納米管對(duì)氣體水合物生成的耗氣量均有很大的促進(jìn)作用，尤其是經(jīng)特殊處理后的功能化碳納米管，對(duì)增大儲(chǔ)氣量作用尤甚，且與傳統(tǒng)水合物促進(jìn)劑相比，碳納米管的用量極少，可節(jié)約資源。這些實(shí)驗(yàn)研究也驗(yàn)證了碳納米管作為水合物促進(jìn)劑的良好效果。

2.3 其他參數(shù)

盛淑美等研究了MWCNT 對(duì)CH-CO混合氣體的TBAB 半籠型水合物生成的影響，結(jié)果表明，添加不同濃度的MWCNT 對(duì)水合物相平衡條件均沒(méi)有影響。Nashed 等在1.5～4.6 MPa壓力范圍內(nèi)，分別對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%SDS、0.1%碳納米管體系進(jìn)行了熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，無(wú)論是處理前還是處理后的碳納米管，均對(duì)水合物相平衡沒(méi)有顯著影響，這與盛淑美等的結(jié)論一致。

Nashed 等的實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，在合適的濃度下，功能化碳納米管+SDS 體系下二氧化碳水合物氣體消耗率提升率相比SDS 體系下的可提高123.1%。分析認(rèn)為，碳納米管引起的初始?xì)怏w消耗率相對(duì)增強(qiáng)可能是由于大量異形團(tuán)簇的存在，使水合物在不同位置同時(shí)形成。且碳納米管的存在極大地提高了水合物生成的氣體吸收量，可認(rèn)為碳納米管巨大的比表面積降低了溶液的表面張力，從而增強(qiáng)了傳質(zhì)效果，把更多的氣體分子融入液相。

Abedi-Farizhendi 等的研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管對(duì)丙烷水合物生成的氣體消耗率有很大的促進(jìn)作用，但對(duì)其儲(chǔ)氣量和水合物轉(zhuǎn)化率并無(wú)顯著促進(jìn)作用。綜合以上學(xué)者研究結(jié)果可看出，碳納米管對(duì)水合物生成動(dòng)力學(xué)有較明顯的促進(jìn)作用，尤其是在耗氣量方面。碳納米管對(duì)水合物生成影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果如表1 所示。

表1 碳納米管對(duì)水合物生成影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果Tab. 1 Experimental results concerning the effect of carbon nanotubes on the hydrate formation

3 氧化石墨烯對(duì)水合物生成的影響

3.1 誘導(dǎo)時(shí)間

石墨烯（GP）是目前已發(fā)現(xiàn)的韌性最好且強(qiáng)度最大的一種材料，其理論比表面積達(dá)2 600 m·g，其厚度為0.35 nm。GO 是由石墨烯經(jīng)氧化得到，兩者性能類(lèi)似，而GO 含有更多的官能團(tuán)，其外觀(guān)為棕黃色粉末。代文杰等在不同溫度和壓力壓條件下，利用高壓反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)裝置研究了GO 二氧化碳水合物生成的影響。結(jié)果表明，在GO 溶液體系下，水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間降幅最高可達(dá)74.3%。Yan 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了GO 在3～5 MPa、279 K 條件下對(duì)二氧化碳水合物的促進(jìn)機(jī)理和效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GO 可大大縮短水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間。此外，代文杰等又做了一組新的實(shí)驗(yàn)，研究了不同濃度的GO 對(duì)二氧化碳水合物生成的影響，從而確定了其最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。

Rezaei 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了GO 和SDS 對(duì)乙烯水合物生成的影響。結(jié)果表明，兩者皆能有效促進(jìn)乙烯水合物的生成，而GO 對(duì)水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間的促進(jìn)效果更為明顯，在合適的條件下，最高可使誘導(dǎo)時(shí)間較純水時(shí)的縮短96%。Ghozatloo 等分別使用石墨烯以及經(jīng)處理過(guò)的功能化石墨烯做了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，兩者可使甲烷水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間分別縮短61.07%、41.40%。

總的來(lái)說(shuō)，在將石墨烯及其功能化產(chǎn)物用于水合物生成的實(shí)驗(yàn)研究中關(guān)于氧化石墨烯的研究較多，發(fā)現(xiàn)其對(duì)縮短水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間的促進(jìn)作用也十分明顯，且促進(jìn)效果與納米材料的濃度密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，在納米材料濃度較低時(shí)就能表現(xiàn)出極大的促進(jìn)效果，濃度越大，其促進(jìn)效果反而不明顯。這體現(xiàn)出GO 作為動(dòng)力學(xué)促進(jìn)劑的極大優(yōu)越性，未來(lái)可針對(duì)GP 的其他功能化產(chǎn)物進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 耗氣量與儲(chǔ)氣量

代文杰等的實(shí)驗(yàn)研究表明，在相同的溫度和壓力條件下，GO 溶液的二氧化碳耗氣量大于純水，最高可提升15.89%，且發(fā)現(xiàn)隨著GO濃度增加，耗氣量先增加后減小，這與Yan 等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。代文杰等在另外一組實(shí)驗(yàn)中，分別研究了GO 和純水體系下耗氣量和體系壓力的關(guān)系，結(jié)果表明，GO 的加入使得耗氣量的增幅最大可達(dá)17.2%，且隨著體系壓力的增加，耗氣量先增大后趨于平穩(wěn)。

Rezaei 等研究了GO 和SDS 濃度與甲烷水合物生成儲(chǔ)氣量的影響，結(jié)果表明，低濃度時(shí)兩者對(duì)水合物生成儲(chǔ)氣量并無(wú)太大影響，而高濃度時(shí)兩者均作用明顯，其中GO 對(duì)儲(chǔ)氣量的促進(jìn)作用稍遜于SDS。Ghozatloo 等的實(shí)驗(yàn)研究表明，GP 的加入會(huì)使甲烷水合物生成儲(chǔ)氣量較純水提高12.9%左右。分析認(rèn)為，因?yàn)榧淄闅怏w在納米流體內(nèi)的初始溶解度提高了，且增加了異相成核的可能性。這與Abedi-Farizhendi 等的結(jié)論類(lèi)似。

綜上所述，氧化石墨烯對(duì)縮短氣體水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間有顯著作用，對(duì)耗氣量和儲(chǔ)氣量的促進(jìn)效果則不明顯，而當(dāng)GO 與SDS 等表面活性劑聯(lián)用時(shí)，則會(huì)大大增加水合物生成的耗氣量和儲(chǔ)氣量。

3.3 其他參數(shù)

Ghozatloo 等的實(shí)驗(yàn)研究表明，GO 的加入對(duì)甲烷水合物生成過(guò)程的水合物轉(zhuǎn)化并無(wú)明顯促進(jìn)作用。代文杰等的實(shí)驗(yàn)研究表明，GO 的加入使相平衡壓力最高降低20%左右。Ghozatloo等的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也表明GO 的加入會(huì)對(duì)相平衡有輕微的促進(jìn)作用。

綜合上述實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，GP 及GO 作為水合物促進(jìn)劑經(jīng)常被研究者用來(lái)與表面活性劑類(lèi)促進(jìn)劑如SDS 等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米粒子的加入對(duì)水合物生成動(dòng)力學(xué)有更好的促進(jìn)作用，在達(dá)到相同的促進(jìn)效果時(shí)SDS 的濃度較石墨烯的高數(shù)十倍，這造成了一定的資源浪費(fèi)。氧化石墨烯對(duì)水合物生成影響的實(shí)驗(yàn)研究成果如表2 所示。

表2 氧化石墨烯對(duì)水合物生成影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果Tab. 2 Experimental results concerning the effect of graphene oxides on the hydrate formation

4 納米石墨對(duì)水合物生成的影響

4.1 誘導(dǎo)時(shí)間

GN 與常規(guī)石墨的功能相近，但其顆粒粒徑遠(yuǎn)小于后者，平均粒徑為50～1 00 nm，黑色近球形顆粒。GN 是通過(guò)特殊工藝方法制備，純度很高，粒度小且均勻，表面活性高，且理化性質(zhì)穩(wěn)定，近年來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。周詩(shī)崠等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和比較了不同壓力和溫度條件下純水及GN 體系下二氧化碳水合物生成過(guò)程。結(jié)果表明，GN 最高可使水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間縮短80.9%。兩種體系下誘導(dǎo)時(shí)間均隨溫度的升高而延長(zhǎng)，且GN 體系對(duì)溫度的“適應(yīng)性”更好，這也從另一方面驗(yàn)證了氣液傳質(zhì)過(guò)程控制水合物成核速率的理論。

周詩(shī)崠等還進(jìn)行了GN 與SDS 復(fù)配體系對(duì)二氧化碳水合物生成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該體系能大幅縮短水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間。分析認(rèn)為，因?yàn)镚N 具有巨大的比表面積和較大的導(dǎo)熱系數(shù)，從而增大了傳熱傳質(zhì)效率，縮短了誘導(dǎo)時(shí)間。Yu 等研究了GN 與SDBS 聯(lián)用時(shí)對(duì)二氧化碳水合物生成動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果顯示兩者聯(lián)用可使誘導(dǎo)時(shí)間大大縮短。分析認(rèn)為，SDBS 的加入使得溶液的表面張力大大降低，使得有更多的氣體分子能夠更快地進(jìn)入液相，從而縮短了誘導(dǎo)時(shí)間。這與周詩(shī)崠等的結(jié)論互相補(bǔ)充，并得出了表面活性劑類(lèi)材料SDS 或SDBS 與GN對(duì)誘導(dǎo)時(shí)間各自的作用機(jī)理。

4.2 耗氣量

Zhou 等研究了TBAB 和GN 對(duì)二氧化碳水合物生成的影響，結(jié)果表明，GN+TBAB 體系的耗氣量較純TBAB 體系的增加了13%。而Yu 等也得出了類(lèi)似結(jié)論，并認(rèn)為GN 的加入促進(jìn)了溶液的布朗運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)了氣體在體系中的溶解，且GN 是一種多孔顆粒，是一種良好的氣體載體，所以在GN+TBAB 體系下水合物生成的耗氣量顯著增加。周詩(shī)崠等的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，GN 與SDS 復(fù)配體系可有效增加水合物生成的耗氣量。分析認(rèn)為，GN 是一種高效傳質(zhì)傳熱的工質(zhì)，而且水合反應(yīng)是一個(gè)放熱過(guò)程，因此它的存在可及時(shí)移走實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱，也可為水合物異相成核提供良好的條件。

4.3 其他參數(shù)

Yu 等的研究發(fā)現(xiàn)，GN 和SDBS 體系可使水合物轉(zhuǎn)化率較純水體系提高85.1%，同時(shí)可使其儲(chǔ)氣量提高35.8%。Zhou 等研究GN 與TBAB 對(duì)水合物生成的影響時(shí)也得出了類(lèi)似的結(jié)論。周詩(shī)崠等發(fā)現(xiàn)GN 與SDS 復(fù)配體系可使水合物生成耗氣率比純水體系高6.32 倍。

綜合上述研究，GN 的加入對(duì)水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間、耗氣量都有很大的影響。而與石墨烯和碳納米管不同的是，關(guān)于GN 功能化產(chǎn)物的相關(guān)研究較少，類(lèi)比于GO 等碳納米材料功能化產(chǎn)物對(duì)水合物生成動(dòng)力學(xué)有良好的促進(jìn)作用，有理由認(rèn)為GN 也存在某種功能化產(chǎn)物使其性能得到加強(qiáng)。納米石墨對(duì)水合物生成影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果如表3 所示。

表3 納米石墨對(duì)水合物生成影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果Tab. 3 Experimental results concerning the effect of graphite nanoparticles on the hydrate formation

5 總結(jié)與展望

碳納米粒子可縮短水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間，增加耗氣量、儲(chǔ)氣量，提高水合物生成速率等。本文對(duì)其促進(jìn)機(jī)理進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論有：

（1）碳納米材料具有巨大的比表面積，從而可以增加氣液接觸面積，促進(jìn)水合物生成。

（2）碳納米材料對(duì)溶液中的布朗運(yùn)動(dòng)起到了類(lèi)似攪拌的作用，從而增大了氣液接觸面積。

（3）水合物生成為放熱反應(yīng)，碳納米材料的良好導(dǎo)熱性可使其能及時(shí)帶走反應(yīng)熱，保證水合物連續(xù)、高效地生成。

目前，用于氣體水合物生成領(lǐng)域的碳納米材料主要為碳納米管、氧化石墨烯、納米石墨等，它們對(duì)水合物生成的促進(jìn)效果各有不同，且都有其局限性。三種碳納米材料均對(duì)縮短水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間有顯著效果，而碳納米管及納米石墨對(duì)水合物耗氣量和儲(chǔ)氣量的提升作用較氧化石墨烯更強(qiáng)，尤其是將碳納米材料與表面活性劑類(lèi)材料復(fù)配則更能提高水合物的儲(chǔ)氣量。尋找對(duì)水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間、耗氣量、儲(chǔ)氣量等均有促進(jìn)效果的碳納米材料仍有必要。碳纖維、富勒烯、碳納米球等材料也逐漸受到國(guó)外內(nèi)部分研究者的關(guān)注。此外，可發(fā)現(xiàn)經(jīng)特殊加工處理后的碳納米粒子較原始粒子的促進(jìn)水合物生成的效果更優(yōu)。未來(lái)可嘗試?yán)酶喾椒ㄖ苽涔δ芑技{米材料，也可探究碳納米材料與其他種類(lèi)材料的新型復(fù)配體系，以期得到更好的促進(jìn)效果。還可利用數(shù)值模擬方法，從微觀(guān)角度分析碳納米材料對(duì)水合物生成的促進(jìn)機(jī)理。