DOI: 10.25666/dataosu-2021-05-10
title: Nitrogen Hydrate Cage Occupancy and Bulk Modulus Inferred from Density Functional Theory-Derived Cell Parameters
title: Taux d'occupation et module d'élasticité d'un clathrate hydrate de N2 déduit de calculs DFT

description: Gas clathrate hydrate solid materials, ubiquitous in nature as found either on the ocean floor, permafrost on the Earth, or in extraterrestrial planets and comets, are also technologically relevant, for example, in energy storage or carbon dioxide sequestration. Nitrogen hydrate, in particular, is of great interest as a promoter of the kinetics of the methane replacement reaction by carbon dioxide in natural gas hydrates. This hydrate may also appear in the chemistry of planets wherever nitrogen constitutes the majority of the atmosphere. A fine understanding of the stability of this hydrate under various thermodynamic conditions is thus of utmost importance to assess its role in the many fields where it is used. In the present work, we have investigated the structural properties of nitrogen hydrate by means of density functional theory calculations. We show that the lattice parameters strongly depend on the cage occupancy and that sI structure has higher bulk elasticity than the sII structure. An energy analysis reveals the key role played by the cage occupancy on the type of hydrate structure formed, which could be used for experimentally estimating the cage occupancy through the lattice parameter measurement.
description: Les clathrates hydrates de gaz, omniprésents dans la nature (plancher océanique, pergélisol sur Terre ou sur les planètes et comètes du système solaire) sont également intéressants technologiquement pour, par exemple, le stockage d'énergie via la séquestration de CO2. L'hydrate de N2, en particulier, est d'un grand intérêt comme promoteur de la cinétique de remplacement du méthane par le dioxyde de carbone dans les hydrates de gaz naturel. Ce clathrate hydrate peut également apparaître dans les processus chimiques des planètes où l'azote constitue l'espèce majoritaire de l'atmosphère. Une bonne compréhension de la stabilité de cet hydrate sous diverses conditions thermodynamiques est donc de la plus haute importance pour évaluer son rôle dans les nombreux domaines où il est utilisé. Dans le présent travail, nous avons étudié les propriétés structurales de l'hydrate d'azote à l'aide de calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. Nous montrons que les paramètres de maille dépendent fortement de l'occupation de la cage et que la structure sI a un module d'élasticité plus élevée que la structure sII. Une analyse énergétique révèle le rôle clé joué par l'occupation de la cage sur le type de structure formée, ce qui pourrait être utilisé pour estimer expérimentalement les taux d'occupation via la mesure du paramètre de maille.
description: Audience: Research
description: UpdatePeriodicity: no update
description: Project: MI2C, ANR-15-CE29-0016 (French National Agency for Research)
description: Project: Stabilité et métastabilité de clathrate hydrates au moyen de simulations ab-initio, SRO OSU THETA 2020 (OSU)
description: Label: Mésocentre(s) UBFC (Mésocentre(s) UBFC)
description: Simulation or computational data: DFT (Density Functional Theory) calculations using the VASP software (version 5.3.5)
description: Données computationnelles ou de simulation: Calculs DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité) à l'aide du logiciel VASP (version 5.3.5)