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Designing Robust Superhydrophobic Materials for Inhibiting Nucleation of Clathrate Hydrates by Imitating Glass Sponges
ACS Central Science ( IF 12.7 ) Pub Date : 2023-02-10 , DOI: 10.1021/acscentsci.2c01406 Xinyu Yin 1 , Yuanyang Yan 1 , Xiangning Zhang 1 , Bin Bao 2 , Pihui Pi 1 , Yahong Zhou 2 , Xiufang Wen 1 , Lei Jiang 1, 2
ACS Central Science ( IF 12.7 ) Pub Date : 2023-02-10 , DOI: 10.1021/acscentsci.2c01406 Xinyu Yin 1 , Yuanyang Yan 1 , Xiangning Zhang 1 , Bin Bao 2 , Pihui Pi 1 , Yahong Zhou 2 , Xiufang Wen 1 , Lei Jiang 1, 2
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Superhydrophobic surfaces are suggested to deal with hydrate blockage because they can greatly reduce adhesion with the formed hydrates. However, they may promote the formation of fresh hydrate nuclei by inducing an orderly arrangement of water molecules, further aggravating hydrate blockage and meanwhile suffering from their fragile surfaces. Here, inspired by glass sponges, we report a robust anti-hydrate-nucleation superhydrophobic three-dimensional (3D) porous skeleton, perfectly resolving the conflict between inhibiting hydrate nucleation and superhydrophobicity. The high specific area of the 3D porous skeleton ensures an increase in terminal hydroxyl (inhibitory groups) content without damaging the superhydrophobicity, achieving the inhibition to fresh hydrates and antiadhesion to formed hydrates. Molecular dynamics simulation results indicate that terminal hydroxyls on a superhydrophobic surface can inhibit the formation of hydrate cages by disordering the arrangement of water molecules. And experimental data prove that the induction time of hydrate formation was prolonged by 84.4% and the hydrate adhesive force was reduced by 98.7%. Furthermore, this porous skeleton still maintains excellent inhibition and antiadhesion properties even after erosion for 4 h at 1500 rpm. Therefore, this research paves the way toward developing novel materials applied in the oil and gas industry, carbon capture and storage, etc.
中文翻译:
通过仿玻璃海绵设计稳健的超疏水材料以抑制笼形水合物的成核
建议使用超疏水表面来处理水合物堵塞,因为它们可以大大减少与形成的水合物的粘附。然而,它们可能通过诱导水分子的有序排列来促进新鲜水合物核的形成,进一步加剧水合物堵塞并同时遭受其脆弱表面的影响。在这里,受玻璃海绵的启发,我们报告了一种强大的抗水合物成核超疏水三维 (3D) 多孔骨架,完美解决了抑制水合物成核和超疏水性之间的冲突。3D多孔骨架的高比表面积确保了末端羟基(抑制基团)含量的增加,同时又不破坏超疏水性,实现了对新鲜水合物的抑制和对已形成水合物的抗粘附。分子动力学模拟结果表明,超疏水表面上的末端羟基可以通过扰乱水分子的排列来抑制水合物笼的形成。实验数据证明,水合物形成的诱导时间延长了84.4%,水合物附着力降低了98.7%。此外,即使在 1500 rpm 下侵蚀 4 小时后,这种多孔骨架仍然保持出色的抑制和抗粘附性能。因此,该研究为开发应用于石油和天然气工业、碳捕获和储存等领域的新型材料铺平了道路。实验数据证明,水合物形成的诱导时间延长了84.4%,水合物附着力降低了98.7%。此外,即使在 1500 rpm 下侵蚀 4 小时后,这种多孔骨架仍然保持出色的抑制和抗粘附性能。因此,该研究为开发应用于石油和天然气工业、碳捕获和储存等领域的新型材料铺平了道路。实验数据证明,水合物形成的诱导时间延长了84.4%,水合物附着力降低了98.7%。此外,即使在 1500 rpm 下侵蚀 4 小时后,这种多孔骨架仍然保持出色的抑制和抗粘附性能。因此,该研究为开发应用于石油和天然气工业、碳捕获和储存等领域的新型材料铺平了道路。
更新日期:2023-02-10
中文翻译:
通过仿玻璃海绵设计稳健的超疏水材料以抑制笼形水合物的成核
建议使用超疏水表面来处理水合物堵塞,因为它们可以大大减少与形成的水合物的粘附。然而,它们可能通过诱导水分子的有序排列来促进新鲜水合物核的形成,进一步加剧水合物堵塞并同时遭受其脆弱表面的影响。在这里,受玻璃海绵的启发,我们报告了一种强大的抗水合物成核超疏水三维 (3D) 多孔骨架,完美解决了抑制水合物成核和超疏水性之间的冲突。3D多孔骨架的高比表面积确保了末端羟基(抑制基团)含量的增加,同时又不破坏超疏水性,实现了对新鲜水合物的抑制和对已形成水合物的抗粘附。分子动力学模拟结果表明,超疏水表面上的末端羟基可以通过扰乱水分子的排列来抑制水合物笼的形成。实验数据证明,水合物形成的诱导时间延长了84.4%,水合物附着力降低了98.7%。此外,即使在 1500 rpm 下侵蚀 4 小时后,这种多孔骨架仍然保持出色的抑制和抗粘附性能。因此,该研究为开发应用于石油和天然气工业、碳捕获和储存等领域的新型材料铺平了道路。实验数据证明,水合物形成的诱导时间延长了84.4%,水合物附着力降低了98.7%。此外,即使在 1500 rpm 下侵蚀 4 小时后,这种多孔骨架仍然保持出色的抑制和抗粘附性能。因此,该研究为开发应用于石油和天然气工业、碳捕获和储存等领域的新型材料铺平了道路。实验数据证明,水合物形成的诱导时间延长了84.4%,水合物附着力降低了98.7%。此外,即使在 1500 rpm 下侵蚀 4 小时后,这种多孔骨架仍然保持出色的抑制和抗粘附性能。因此,该研究为开发应用于石油和天然气工业、碳捕获和储存等领域的新型材料铺平了道路。