N型甲烷水合物结构和电子性质的密度泛函理论计算

摘要

基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下考虑Grimme色散修正,预测并研究N型甲烷水合物结构和电子性质,得到如下结论:1) N型甲烷水合物的水笼子整体结构为截角八面体(4^6 6^8),由8个正六边形和6个正方形构成,其中六边形的平均边长和正方形的平均边长约为2.723A,对称群为IM 3^-M,具有简单和严格的周期性稳定结构;2) N型甲烷水合物晶格参数为7.700A,密度为0.903 g/cm^3,大于Ⅰ型、Ⅱ型及H型水合物密度;3)计算并得到了N型甲烷水合物XRD衍射图,其与Ⅰ型甲烷水合物结构较为接近,前者水笼子大,甲烷分子与水笼子相互作用力为范德瓦耳斯力;4) N型甲烷水合物密度为形成能为–0.247 eV,易于形成,电子态密度及分波态密度也均表明了甲烷与N型水笼子相互作用微弱,靠分子力作用;5) N型甲烷水合物为绝缘体材料,能隙大于5 eV.