地下储氢盖层完整性的分子洞察：氢致膨胀与力学响应视角
材料科学
2026-01-15 v1
摘要
氢气（H_2）的地质储存需要可靠的长期盖层密封，然而 H_2 与粘土矿物之间的纳米尺度相互作用对储存安全至关重要，却仍处于严重探索不足的状态。这种认知的缺乏限制了预测 H_2 储层力学稳定性和泄漏风险的能力。本研究利用分子模拟，研究了在不同水化状态和层间 H_2 含量下，钠蒙脱石（Mt，一种常见的蒙脱石粘土）的膨胀行为和力学性质。结果表明，H_2 加速了水化状态的转变，缩小了结晶膨胀的稳定窗口，并促进了受限层间非对称羽流的形成。H_2 改变了阳离子和水的配位，从而削弱了 Na^+--Mt 静电相互作用，并调节了界面和体相中的氢键网络。力学分析揭示了 Mt 具有显著的各向异性。面内刚度主要由基面间距膨胀控制，而面外刚度对水或 H_2 的初始存在高度敏感，这削弱了层间内聚力。面内方向的拉伸和压缩强度遵循面内刚度趋势，而面外拉伸强度由 Mt--水氢键控制。H_2 的存在通过破坏纳米尺度液体桥进一步促进了 Mt 片层的分离。总而言之，这些结果提供了首个原子尺度证据，表明嵌入的 H_2 重塑了 Mt 中的膨胀能量学、弹性各向异性和破坏路径，突出了在地下 H_2 储存期间可能损害盖层完整性的关键纳米尺度机制。
引用
@article{arxiv.2509.19283,
title = {Molecular Insights into Caprock Integrity of Subsurface Hydrogen Storage: Perspective on Hydrogen-induced Swelling and Mechanical Response},
author = {Mehdi Ghasemi and Mohamad Ali Ghafari and Masoud Babaei and Valentina Erastova},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.19283},
year = {2026}
}