隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，開發(fā)新能源特別是具有潔凈環(huán)保能源理念的新能源成為建設可持續(xù)發(fā)展社會的迫切需要，籠型水合物在新型清潔能源開發(fā)、儲存和溫室氣體減排上具有巨大的應用前景。

　　籠形水合物是在一定的溫度、壓力、氣體飽和度、水鹽度等條件下由水（冰）和氣體分子反應生成類冰的、具有籠形結(jié)構(gòu)的固態(tài)化合物。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。目前，人們在海底以及凍土層發(fā)現(xiàn)了巨大的天然氣水合物儲量。據(jù)保守統(tǒng)計，天然氣水合物(可燃冰)中貯存的天然氣總量約為其它化石燃料儲量總和的兩倍，是21世紀具有良好前景的后續(xù)能源。因此，對籠型水合物的研究對于解決能源和環(huán)境問題有著非常實際且緊迫的意義。

　　然而，由于籠形水合物形成、存在于苛刻的極端環(huán)境（高壓、低溫），主要由H、O、C等輕元素組成，人們很難利用常規(guī)的表征手段去研究其基本物理化學性質(zhì)。多種水合物的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)效關系還沒有定論，水合物的形成、分解反應過程基本還沒有統(tǒng)一的動力學模型。針對上述問題，中國科學院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)極端條件物理重點實驗室于曉輝副研究員、朱金龍副研究員、靳常青研究員以及物理所“千人計劃”、美國內(nèi)華達大學趙予生教授開展了新型水合物研制和表征研究。近期，利用高壓、低溫原位中子衍射實驗，對極性一氧化碳氣體籠型水合物、小分子氖氣籠型水合物進行了研究，得到了一系列的重要成果。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，CO籠型水合物有著非常獨特的反應動力學，其結(jié)構(gòu)的變化是隨著CO氣體分子在水籠子中的填充從SI型逐步過渡到SII型的，如圖2所示，并且CO氣體分子在籠子中的分布由于受到水籠子的作用，處于離心的狀態(tài)，這主要是由CO的極性所引起的，在籠型水合體系中是非常獨特的。當CO氣體分子最終穩(wěn)定在SII型結(jié)構(gòu)時，其大籠子(51264)中容納了2個CO氣體分子，小籠子(512)中容納了1個CO氣體分子。另外，整個籠型水合物的合成耗時近4個月，即對應了一個非常慢的反應動力學過程。

　　除了傳統(tǒng)的SI,SII型的水合物，研究人員還利用氣體高壓對新型結(jié)構(gòu)水合物進行了探索，圖3為他們將Ne氣體加壓到5千大氣壓得到的水合物的情況。他們發(fā)現(xiàn)，在這一條件下，水合物形成的不再是傳統(tǒng)的立方結(jié)構(gòu)，而是冰的二型結(jié)構(gòu)，即II型冰在高壓環(huán)境下本身具有了可儲存氣體的特性。這種Ice-II型水合物的籠子本身不會由于氣體分子的釋放而坍塌，Ne氣體可通過冰中的通道進入或離開，保持平衡狀態(tài)。另外，這種水合物的合成對應了非?？斓姆磻獎恿W～10min，這可能是由于Ne氣體分子小，因而更容易通過冰晶體中的缺陷中進入晶體內(nèi)部。

　　相關結(jié)果分別發(fā)表在近期的Nature Communications（5, 4128 (2014)），以及《美國國家科學院院刊》（PNAS 111, 10456 (2014)）上。

　　此項工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院能源Cluster計劃的資助。