KR102489316B1 - Thermodynamic promoter for clathrate hydrate and clathrate hydrate including the same - Google Patents

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Abstract

본원은, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터 및 상기 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트에 관한 것이다.The present application relates to a clathrate hydrate, including a thermodynamic promoter for clathrate hydrate and a thermodynamic promoter for the clathrate hydrate.

Description

클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터 및 이를 포함하는 클러스레이트 하이드레이트{THERMODYNAMIC PROMOTER FOR CLATHRATE HYDRATE AND CLATHRATE HYDRATE INCLUDING THE SAME}Thermodynamic promoter for clathrate hydrate and clathrate hydrate containing the same

본원은, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터 및 상기 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트에 관한 것이다.The present application relates to a clathrate hydrate, including a thermodynamic promoter for clathrate hydrate and a thermodynamic promoter for the clathrate hydrate.

수소-결합된 물 구조체(framework) 및 게스트 분자들로 구성된, 클러스레이트 하이드레이트(clathrate hydrate)는 호스트 성분 및 게스트 성분으로서 상응하는 물 분자 및 가스 분자로 주로 구성된, 잘 알려진 타입의 포접 화합물(inclusion compound)이다. 클러스레이트 하이드레이트(clathrate hydrate)는 CH4, CO2 등 작은 기체 분자를 물 분자들이 수소 결합을 통해 둘러싸서 이루어진 포접 화합물이다. 일반적인 타입의 클러스레이트 하이드레이트는 주로 물로 구성되기 때문에, CH4/H2/천연 가스 저장, CO2 포집 및 저장, 가스 분리, 담수화(desalination), 에어컨, 및 기능성 소재의 사용을 포함하는, 지속 가능한 하이드레이트-기반 기술에 대한 다양한 잠재력이 오랫동안 제안되어 왔다.Consisting of a hydrogen-bonded water framework and guest molecules, clathrate hydrates are a well-known type of inclusion compound consisting mainly of corresponding water molecules and gas molecules as host and guest components. )to be. Clathrate hydrate is a clathrate compound formed by surrounding small gas molecules such as CH 4 and CO 2 with water molecules through hydrogen bonds. Since clathrate hydrates of the common type are composed primarily of water, CH 4 /H 2 /natural gas storage, CO 2 capture and storage, gas separation, desalination, air conditioning, and sustainable use, including the use of functional materials, Various potentials for hydrate-based technologies have long been proposed.

클러스레이트 하이드레이트 물질 자체의 열역학적 안정성이 낮기 때문에, 상온 근처의 온도와 저압 환경에서 에너지 가스를 저장할 수 있는 해결책이 반드시 필요하다. 열역학적 안정성을 높일 수 있는 유일한 방법은 프로모터라고 불리는 첨가물을 소량 첨가하는 것이며, 열역학적 안정성을 높일 수 있는 프로모터를 특히 열역학적 프로모터(thermodynamic promoter)라고 부른다.Due to the low thermodynamic stability of the clathrate hydrate material itself, a solution capable of storing the energy gas in a low-pressure environment at a temperature near room temperature is essential. The only way to increase thermodynamic stability is to add a small amount of an additive called a promoter, and a promoter that can increase thermodynamic stability is called a thermodynamic promoter.

지금까지, 다양한 공동-게스트(co-guest) 물질들이 가스 하이드레이트의 형성 조건 또는 동역학을 개선시키기 위한 프로모터로서 널리 평가되어왔다. 수많은 종래 프로모터들 중에서, 테트라하이드로퓨란(THF; tetrahydrofuran) 및 시클로펜탄(CP; cyclopentane)은 (1) 주어진 압력에서 약 20 K만큼 해리 온도를 상승시키는 강력한 능력, (2) 가스 성분이 없는 경우에도 sII 구조들을 형성하는 능력, (3) 화합물 자체의 비교적 낮은 반응성 및 높은 안정성, 및 (4) 비교적 우수한 접근성을 포함하는 이점들로 인해 특히 관심을 끌어왔다.To date, various co-guest materials have been widely evaluated as promoters to improve the formation conditions or kinetics of gas hydrates. Among many conventional promoters, tetrahydrofuran (THF) and cyclopentane (CP) have (1) a strong ability to raise the dissociation temperature by about 20 K at a given pressure, and (2) even in the absence of a gaseous component. It has attracted particular interest due to its advantages including its ability to form sII structures, (3) the relatively low reactivity and high stability of the compound itself, and (4) its relatively good accessibility.

가스 클러스레이트 하이드레이트의 대표적인 구조에는 sI, sII 및 sH 세 종류가 있는데, 순수 메탄 클러스레이트 하이드레이트는 sI 구조로서 클러스레이트 하이드레이트 1 cm3 당 메탄 180 cm3을 저장할 수 있다 (180 v/v). 대부분의 경우, 프로모터를 도입하면 열역학적 안정성은 향상되지만, 기존 CH4 하이드레이트(sI)의 구조가 sII 또는 sH로 상변화가 일어나기 때문에, 이론 저장 용량이 15% 내지 30% 감소한다. THF 또는 CP를 첨가하면 sII 구조로 변경이 되며, 두 종류의 케이지 중 크기가 큰(large cage, 이하 "sII-L") 케이지를 점유하고, 메탄 가스는 크기가 작은(small cage, 이하 "sII-S") 케이지에만 들어갈 수 있다. 따라서 필연적으로 가스 저장량이 줄어드는데, 모든 sII-S 케이지에 메탄 분자가 들어간다고 가정했을 때 이론적인 가스 저장량은 110 v/v이다. 하지만 THF 또는 CP를 첨가했을 때 실제 가스 저장량은 최대 70 v/v으로 밝혀졌으며, 이는 일부 sII-S 케이지에는 메탄 분자가 들어가지 못하고 비어있기 때문이다.There are three typical structures of gas clathrate hydrates: sI, sII, and sH. Pure methane clathrate hydrate has a sI structure and can store 180 cm 3 of methane per 1 cm 3 of clathrate hydrate (180 v/v). In most cases, introduction of a promoter improves thermodynamic stability, but reduces the theoretical storage capacity by 15% to 30% because the structure of CH 4 hydrate (sI) undergoes a phase change to sII or sH. When THF or CP is added, the sII structure is changed, and the large cage (hereinafter "sII-L") of the two types of cages is occupied, and methane gas is small cage (hereinafter "sII"). -S") can only enter the cage. Therefore, the gas storage capacity inevitably decreases. Assuming that methane molecules enter all sII-S cages, the theoretical gas storage capacity is 110 v/v. However, when THF or CP was added, the actual gas storage was found to be up to 70 v/v, which is because some sII-S cages are empty without methane molecules.

하기 도면은 프로모터를 첨가했을 때 만들어지는 sII 하이드레이트의 격자 구조이다:The figure below is the lattice structure of sII hydrate formed upon addition of a promoter:

Figure 112020095643014-pat00001
.
Figure 112020095643014-pat00001
.

인위적으로 첨가하는 게스트 분자들은 기체 게스트 화합물들(에너지 가스)에 비해 크기가 더 크기 때문에 대분자 게스트 분자(LGM; large guest molecules) 또는 대분자 게스트 물질(LMGS; large molecule guest substances)로서 인용된다. 특히 하이드레이트의 엔지니어링 및 산업 응용 분야에서 LGM을 사용하는 중요한 목적은, 가스 하이드레이트 형성 및 보존 조건을 향상시켜 하이드레이트를 사용할 때 소비되는 총 에너지 양을 최소화하기 위한 것이다. Guest molecules added artificially are referred to as large guest molecules (LGM) or large molecule guest substances (LMGS) because they are larger in size than gaseous guest compounds (energy gases). An important objective of using LGMs, especially in the engineering and industrial applications of hydrates, is to minimize the total amount of energy consumed when using hydrates by enhancing the conditions for gas hydrate formation and preservation.

게스트 분포 측면에서, LGMs을 포함하는 대부분의 sII 가스 하이드레이트들은 대형(sII-L) 케이지와 소형(sII-S) 케이지가 주로 각각 LGMs 및 기체 구성 요소로 차지되어 있기 때문에, "더블" 하이드레이트로서 분류된다. 반면에, 기체가 없이도(gas free) LGM 성분만으로 안정화되는 sII 하이드레이트들은 "단순" 하이드레이트로 분류되며, 상기 LGMs을 "단순 sII 형성자" 또는 "단순 형성자"로서 간단히 언급하였다. 일반적으로, 단순 sII 형성자를 포함하는 가스 하이드레이트들은 종래 LGMs으로 형성된 것에 비해 훨씬 더 높은 열역학적 안정성 수준을 나타낸다. 예를 들어, 약 40 bar의 압력 하에서, 퓨란 + CH4 (~295 K), 또는 테트라하이드로퓨란(THF) + CH4 (~297 K)의 해리 온도는 피롤리딘 + CH4 하이드레이트(~287 K)보다 상당히 높다. 또 다른 예로서, 약 80 bar에서, 1,3-디옥산 + CH4 하이드레이트(~ 297 K)의 안정 영역은 사이클로헥산(CH) + CH4 하이드레이트(~ 290 K)의 안정 영역보다 더 크다. 또한, LGMs의 단순 하이드레이트들은 가압 가스가 필요하지 않고 게스트 구성의 유연성(즉, 튜닝)이 우수하기 때문에 다양한 응용분야가 있을 것으로 예상된다.In terms of guest distribution, most sII gas hydrates containing LGMs are classified as “double” hydrates, since the large (sII-L) and small (sII-S) cages are mainly occupied by LGMs and gas components, respectively. do. On the other hand, sII hydrates that are gas-free and stabilized with only the LGM component are classified as “simple” hydrates, and the LGMs are simply referred to as “simple sII formers” or “simple formers”. In general, gas hydrates containing simple sII formers exhibit much higher levels of thermodynamic stability compared to those formed with conventional LGMs. For example, under a pressure of about 40 bar, the dissociation temperature of furan + CH 4 (~295 K), or tetrahydrofuran (THF) + CH 4 (~297 K) is pyrrolidine + CH 4 hydrate (~287 K). K) is significantly higher than As another example, at about 80 bar, the stable region of 1,3-dioxane + CH 4 hydrate (~ 297 K) is larger than that of cyclohexane (CH) + CH 4 hydrate (~ 290 K). In addition, simple hydrates of LGMs are expected to have a variety of applications because they do not require pressurized gas and have excellent guest configuration flexibility (i.e., tuning).

거의 한 세기에 걸쳐 수많은 LGM이 제안되었지만, 클로로플루오로카본(CFC; chlorofluorocarbons)과 같은 할로겐화 유기물을 제외하고는, 이들 중 소수만이 단순 sII 형성자인 것으로 밝혀졌다. 단결정 회절을 통해 테트라히드로피란(THP; tetrahydropyran)의 단순 하이드레이트 구조를 보고한 이후로 신규의 단순 sII 형성자는 발견되지 않았다.Numerous LGMs have been proposed over nearly a century, but few of them have been found to be simple sII formers, except for halogenated organics such as chlorofluorocarbons (CFCs). Since the simple hydrate structure of tetrahydropyran (THP) was reported through single crystal diffraction, no new simple sII former has been found.

[비특허 문헌] J. Chem. Eng. Data 2002, 47, 313-315 (2001.12.19)[Non-Patent Document] J. Chem. Eng. Data 2002, 47, 313-315 (2001.12.19)

본원은, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터 및 상기 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트를 제공하고자 한다.The present application intends to provide a clathrate hydrate comprising a thermodynamic promoter for clathrate hydrate and a thermodynamic promoter for the clathrate hydrate.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물, 1,2,3,4-디에폭시부탄, 1,2-에폭시시클로펜테인, 1,3-에폭시시클로펜테인, 2,3-에폭시테트라히드로퓨란, 3,4-에폭시테트라히드로퓨란, 1,2-에폭시시클로헥산, 1,3-에폭시시클로헥산 및 1,4-에폭시시클로헥산에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 제공한다: A first aspect of the present application is a compound represented by Formula 1, 1,2,3,4-diepoxybutane, 1,2-epoxycyclopentane, 1,3-epoxycyclopentane, 2,3-epoxy For clathrate hydrates comprising at least one compound selected from tetrahydrofuran, 3,4-epoxytetrahydrofuran, 1,2-epoxycyclohexane, 1,3-epoxycyclohexane and 1,4-epoxycyclohexane A thermodynamic promoter is provided:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020095643014-pat00002
;
Figure 112020095643014-pat00002
;

상기 화학식 1에서, R1 , R2 , R3 , 및 R4는, 각각 독립적으로, 수소, 또는 C1-4의 선형 또는 분지형의 알킬(alkyl)기이고, 상기 C1-4의 선형 또는 분지형의 알킬(alkyl)기는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, sec-부틸기, iso-부틸기 또는 tert-부틸기에서 선택되는 것이고, 단, R1 , R2 , R3 , 및 R4가 동시에 수소인 것은 제외함. In Formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or a C 1-4 linear or branched alkyl group, and the C 1-4 linear Or the branched alkyl group is selected from methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, sec-butyl, iso-butyl or tert-butyl, provided that R Except that 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are simultaneously hydrogen.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트를 제공한다.A second aspect of the present application provides a clathrate hydrate comprising a thermodynamic promoter for clathrate hydrate according to the first aspect of the present application.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는 클러스레이트 하이드레이트를 이용하는 것을 포함하는, 가스 포집 방법을 제공한다.A third aspect of the present application provides a gas capture method comprising using a clathrate hydrate comprising a thermodynamic promoter for clathrate hydrate according to the first aspect of the present application.

본원의 구현예들에 따르면, 신규 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 이용하여 클러스레이트 하이드레이트의 열역학적 안정성 및 저장 능력을 향상시킬 수 있다.According to the embodiments of the present application, the thermodynamic stability and storage capacity of the clathrate hydrate may be improved by using the novel thermodynamic promoter for the clathrate hydrate.

본원의 구현예들에 따르면, 상기 클러스레이트 하이드레이트의 물 분자로 이루어진 격자 내에 CH4, H2, N2, 또는 CO2 등 가스를 포함하여 특별한 냉각 없이도, 상기 가스를 상온, 저압에서도 저장할 수 있다. According to the embodiments of the present application, the gas such as CH 4 , H 2 , N 2 , or CO 2 is included in the lattice made of water molecules of the clathrate hydrate, and the gas can be stored at room temperature and low pressure without special cooling. .

본원의 구현예들에 따르면, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 하이드레이트-기반 에너지 저장에 사용될 수 있다.According to embodiments herein, the clathrate hydrate may be used for hydrate-based energy storage.

본원의 구현예들에 따르면, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 약 15℃ 내지 약 30℃의 온도에서 약 1 kPa 내지 약 10 kPa(약 0.01 기압 내지 약 0.1기압) 수준으로 증기압이 낮아서 반복 사용이 가능하다. According to embodiments of the present application, the clathrate hydrate has a low vapor pressure of about 1 kPa to about 10 kPa (about 0.01 atm to about 0.1 atm) at a temperature of about 15 ° C to about 30 ° C, so it can be used repeatedly.

본원의 구현예들에 따르면, 상기 클러스레이트 하이드레이트의 저장 용량은 이론적인 가스 저장용량 대비 약 70% 이상이다.According to embodiments of the present application, the storage capacity of the clathrate hydrate is about 70% or more of the theoretical gas storage capacity.

본원의 구현예들에 따르면, ECP(epoxycyclopentane), ETHF(epoxytetrahydrofuran), 14ECH(1,4-epoxycyclohexane), 및 12ECH(1,2-epoxycyclohexane) 프로모터를 사용하는 경우, CH4 하이드레이트의 해리 온도가 향상되는 효과가 있다. 특히, 14ECH는 종래 CP 및 THF에 근접할 정도의 해리 온도를 나타내며, ECP는 종래 CP 및 THF 보다 상당히 높은 해리 온도를 보이는 강력한 프로모터로서 작용할 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, 프로모션 효과는 ETHF < 12ECH < 14ECH < THF/CP < ECP 순으로 증가할 수 있다. According to embodiments of the present application, when using ECP (epoxycyclopentane), ETHF (epoxytetrahydrofuran), 14ECH (1,4-epoxycyclohexane), and 12ECH (1,2-epoxycyclohexane) promoters, the dissociation temperature of CH 4 hydrate is improved has the effect of In particular, 14ECH exhibits a dissociation temperature close to that of conventional CP and THF, and ECP can act as a strong promoter showing a significantly higher dissociation temperature than conventional CP and THF. Specifically, for example, the promotion effect may increase in the order of ETHF < 12ECH < 14ECH < THF/CP < ECP.

본원의 구현예들에 따르면, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트는 유독성을 나타내는 것에 비해, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트는 독성이 적고, 인화점이 높아 물리적으로 더 안전하고 더 환경친화적이다.According to embodiments herein, compared to conventional CP hydrate and THF hydrate, which exhibit toxicity, ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrate are less toxic and have a higher flash point, making them physically safer and more environmentally friendly.

본원의 구현예들에 따르면, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트를 사용하는 경우, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트에 비해 우수한 기체 흡수 조건을 가진다.According to embodiments of the present application, when using ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrates, they have excellent gas absorption conditions compared to conventional CP hydrates and THF hydrates.

본원의 구현예들에 따르면, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트를 사용하는 경우, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트에 비해 열역학적 안정성 및 저장 능력이 우수하다.According to the embodiments of the present application, when using ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrates, thermodynamic stability and storage capacity are excellent compared to conventional CP hydrates and THF hydrates.

본원의 구현예들에 따르면, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트를 사용하는 경우, 종래 CP하이드레이트 및 THF 하이드레이트에 비해 우수한 프로모션 효과를 나타낸다.According to the embodiments of the present application, when using ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrate, it exhibits an excellent promotion effect compared to conventional CP hydrate and THF hydrate.

도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) ECP + CH4 및 (b) ECP + H2 하이드레이트(150 K에서)의 HRPD(high-resolution powder diffraction) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 화학량론적 조성(XLGM = 0.056)에 따른 각각 THF, CP 및 ECP를 함유하는 (a) CH4 하이드레이트 및 (b) H2 하이드레이트의 평형 P-T 조건을 나타낸 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, (a) THF 분자, (b) CP 분자, 및 (c) ECP 분자의 기하학적 구조를 나타낸 것이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 123 K 및 대기압에서 측정한 (a) ECP + CH4 하이드레이트 및 (b) ECP + H2 하이드레이트의 라만 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) ECP + CH4 하이드레이트의 고체-상태 13C NMR 및 (b) ECP + H2 하이드레이트의 1H NMR(210 K에서)을 나타낸 것이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 150 K에서 측정한 ECP + H2O 하이드레이트의 HRPD 패턴을 나타낸 것이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, ECP + H2O 하이드레이트의 경우, 온도에 따른 (a) 격자 파라미터 및 (b) 정규화된 격자 파라미터 (150 K에서의 격자 파라미터는 a0으로 설정됨)를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 210 K에서 측정한 ECP + CH4 하이드레이트의 전체 범위 13C NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, ECP + CH4 하이드레이트의 형성/해리 과정에 의해 측정된 P-T 궤적을 나타낸다.
도 10은, 본원의 일 구현예에 있어서, ECP를 사용한 HBES(hydrate-based energy storage)의 개략도를 나타낸 것이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 다양한 프로모터를 포함하는 CH4 하이드레이트의 평형 P-T 조건 (XLGM = 0.0556)을 나타낸 것이다.
도 12는, 본원의 일 구현예에 있어서, (a) ETHF, (b) 14ECH, (c) 12ECH, (d) THF 및 (e) CH의 최적화된 기하학 구조를 나타낸 것이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) ETHF, (b) 14ECH, 및 (c) 12ECH + CH4 하이드레이트의 HRPD 및 PXRD(powder X-ray diffraction) 패턴을 나타낸 것이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, ETHF, 14ECH 및 12ECH + CH4 하이드레이트의 (a) 고체-상태 13C NMR 및 (b) 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 다양한 프로모터들을 포함하는 N2 하이드레이트의 평형 P-T 조건 (XLGM = 0.0556)을 나타낸 것이다.
도 16은, 본원의 일 실시예에 있어서, 123 K에서 측정된 LGM + N2 하이드레이트의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, 150 K에서 14ECH + H2O 하이드레이트 (가스 없음)의 PXRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 18은, 본원의 일 실시예에 있어서, 14ECH 분자의 (a) 13C NMR 피크 및 (b) COC 진동 밴드를 나타낸 것이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 있어서, 상압에서 온도에 의해 유도된 몇 가지 주요 상전이를 나타낸 것이다.
도 20은, 본원의 일 실시예에 있어서, 14ECH + CH4 하이드레이트의 형성 및 해리 과정에 의해 측정된 P-T 궤적을 나타낸 것이다.
1 is a graph showing high-resolution powder diffraction (HRPD) patterns of (a) ECP + CH 4 and (b) ECP + H 2 hydrate (at 150 K) in one embodiment of the present application.
Figure 2 shows the equilibrium PT conditions of (a) CH 4 hydrate and (b) H 2 hydrate containing THF, CP and ECP, respectively, according to the stoichiometric composition (X LGM = 0.056) in one embodiment of the present application. is the graph shown.
Figure 3, in one embodiment of the present application, (a) THF molecule, (b) CP molecule, and (c) showing the geometric structure of the ECP molecule.
4 shows Raman spectra of (a) ECP + CH 4 hydrate and (b) ECP + H 2 hydrate measured at 123 K and atmospheric pressure, respectively, according to an embodiment of the present application.
5 shows (a) solid-state 13 C NMR of ECP + CH 4 hydrate and (b) 1 H NMR (at 210 K) of ECP + H 2 hydrate, according to an example of the present disclosure.
Figure 6, in one embodiment of the present application, ECP + H 2 O hydrate measured at 150 K shows the HRPD pattern.
7 shows (a) lattice parameter and (b) normalized lattice parameter (the lattice parameter at 150 K is set to a 0 ) according to temperature in the case of ECP + H 2 O hydrate in one embodiment of the present application. ) is a graph showing
8 shows a full range 13 C NMR spectrum of ECP + CH 4 hydrate measured at 210 K in one embodiment of the present application.
9 shows a PT trajectory measured by a formation/dissociation process of ECP + CH 4 hydrate in an embodiment of the present disclosure.
10 is a schematic diagram of a hydrate-based energy storage (HBES) using an ECP in one embodiment of the present disclosure.
Figure 11, in one embodiment of the present application, shows the equilibrium PT conditions (X LGM = 0.0556) of CH 4 hydrate including various promoters.
12 shows optimized geometries of (a) ETHF, (b) 14ECH, (c) 12ECH, (d) THF and (e) CH in one embodiment of the present application.
13 shows HRPD and powder X-ray diffraction (PXRD) patterns of (a) ETHF, (b) 14ECH, and (c) 12ECH + CH 4 hydrate in one embodiment of the present application.
14 shows (a) solid-state 13 C NMR and (b) Raman spectrum of ETHF, 14ECH and 12ECH + CH 4 hydrate according to an example of the present application.
15 shows the equilibrium PT conditions (X LGM = 0.0556) of N 2 hydrate including various promoters in one embodiment of the present application.
16 shows a Raman spectrum of LGM + N 2 hydrate measured at 123 K according to an embodiment of the present disclosure.
17 shows a PXRD pattern of 14ECH + H 2 O hydrate (no gas) at 150 K according to an embodiment of the present disclosure.
18 shows (a) 13 C NMR peak and (b) COC vibrational band of 14ECH molecule in one embodiment of the present application.
19 shows several major phase transitions induced by temperature at atmospheric pressure in an embodiment of the present application.
20 shows the PT trajectory measured by the formation and dissociation process of 14ECH + CH 4 hydrate in one embodiment of the present application.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice with reference to the accompanying drawings. However, the present disclosure may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly describe the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case of being “directly connected” but also the case of being “electrically connected” with another element in between. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case where a member is in contact with another member, but also a case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.Throughout the present specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. As used throughout this specification, the terms "about", "substantially", and the like, are used at or approximating that number when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are given, and do not convey the understanding of this application. Accurate or absolute figures are used to help prevent exploitation by unscrupulous infringers of the disclosed disclosure. The term "step of (doing)" or "step of" as used throughout the present specification does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term “combination(s) of these” included in the expression of the Markush form means a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, It means including one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.Throughout this specification, reference to “A and/or B” means “A or B, or A and B”.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments and embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present disclosure may not be limited to these embodiments and examples and drawings.

본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물, 1,2,3,4-디에폭시부탄, 1,2-에폭시시클로펜테인, 1,3-에폭시시클로펜테인, 2,3-에폭시테트라히드로퓨란, 3,4-에폭시테트라히드로퓨란, 1,2-에폭시시클로헥산, 1,3-에폭시시클로헥산 및 1,4-에폭시시클로헥산에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 제공한다:A first aspect of the present application is a compound represented by Formula 1, 1,2,3,4-diepoxybutane, 1,2-epoxycyclopentane, 1,3-epoxycyclopentane, 2,3-epoxy For clathrate hydrates comprising at least one compound selected from tetrahydrofuran, 3,4-epoxytetrahydrofuran, 1,2-epoxycyclohexane, 1,3-epoxycyclohexane and 1,4-epoxycyclohexane A thermodynamic promoter is provided:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020095643014-pat00003
;
Figure 112020095643014-pat00003
;

R1 , R2 , R3 , 및 R4는, 각각 독립적으로, 수소, 또는 C1-4의 선형 또는 분지형의 알킬(alkyl)기이고, 상기 C1-4의 선형 또는 분지형의 알킬(alkyl)기는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, sec-부틸기, iso-부틸기 또는 tert-부틸기에서 선택되는 것이고, 단, R1 , R2 , R3 , 및 R4가 동시에 수소인 것은 제외함. R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or a C 1-4 linear or branched alkyl group, and the C 1-4 linear or branched alkyl group (Alkyl) group is selected from methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, n-butyl group, sec-butyl group, iso-butyl group or tert-butyl group, provided that R 1 , R 2 , Except where R 3 , and R 4 are both hydrogen.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화합물은 1,2-에폭시부탄, 2,3-에폭시부탄, 1,2-에폭시-2-메틸프로판, 3,3-디메틸-1,2-에폭시부탄, 1,2,3,4-디에폭시부탄, 1,2-에폭시시클로펜테인, 1,3-에폭시시클로펜데인, 2,3-에폭시테트라히드로퓨란, 3,4-에폭시테트라히드로퓨란, 1,2-에폭시시클로헥산, 1,3-에폭시시클로헥산 및 1,4-에폭시시클로헥산에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화합물은 1,2-에폭시부탄, 2,3-에폭시부탄, 1,2-에폭시-2-메틸프로판, 3,3-디메틸-1,2-에폭시부탄, 1,2,3,4-디에폭시부탄, 1,2-에폭시시클로펜테인, 3,4-에폭시테트라히드로퓨란, 1,2-에폭시시클로헥산, 및 1,4-에폭시시클로헥산에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the compound is 1,2-epoxybutane, 2,3-epoxybutane, 1,2-epoxy-2-methylpropane, 3,3-dimethyl-1,2-epoxybutane, 1 ,2,3,4-diepoxybutane, 1,2-epoxycyclopentane, 1,3-epoxycyclopentane, 2,3-epoxytetrahydrofuran, 3,4-epoxytetrahydrofuran, 1,2 - It may include one or more compounds selected from epoxycyclohexane, 1,3-epoxycyclohexane, and 1,4-epoxycyclohexane, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, the compound is 1,2-epoxybutane, 2,3-epoxybutane, 1,2-epoxy-2-methylpropane, 3,3-dimethyl-1,2-epoxybutane, 1 At least one selected from 2,3,4-diepoxybutane, 1,2-epoxycyclopentane, 3,4-epoxytetrahydrofuran, 1,2-epoxycyclohexane, and 1,4-epoxycyclohexane It may contain compounds.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터는 단순 하이드레이트 형성 프로모터(simple hydrate forming promoter)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the thermodynamic promoter for the clathrate hydrate may be a simple hydrate forming promoter, but is not limited thereto.

여기서, 한 종류의 게스트 분자(guest molecule)를 포함하는 하이드레이트를 단순 하이드레이트(simple hydrate)라고 한다. 하기 좌측 도면처럼 기체 분자 없이도 sII 하이드레이트를 만들 수 있는 프로모터를 단순 하이드레이트 프로모터라고 한다. 두 종류의 게스트 분자를 포함하는 하이드레이트를 더블 하이드레이트(double hydrate)라고 하며, 하기 우측 도면처럼 sII-L 케이지는 프로모터 분자가, sII-S 케이지는 기체 분자가 점유한다. 이 종류의 프로모터는 기체 분자 없이는 하이드레이트를 만들지 못한다.Here, a hydrate containing one type of guest molecule is called a simple hydrate. As shown in the left figure below, a promoter capable of producing sII hydrate without gas molecules is referred to as a simple hydrate promoter. A hydrate containing two types of guest molecules is called a double hydrate, and as shown in the right figure below, the promoter molecule occupies the sII-L cage and the gas molecule occupies the sII-S cage. This type of promoter cannot make hydrates without a gas molecule.

Figure 112020095643014-pat00004
Figure 112020095643014-pat00004

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터에 해당하는 상기 화합물은 대형 케이지(sⅡ-L)를 차지하는 대형 게스트 분자인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the compound corresponding to the thermodynamic promoter for the clathrate hydrate may be a large guest molecule occupying a large cage (sII-L), but is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는, 클러스레이트 하이드레이트를 제공한다.A second aspect of the present application provides a clathrate hydrate comprising a thermodynamic promoter for clathrate hydrate according to the first aspect of the present application.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 재사용이 가능할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the clathrate hydrate may be reusable, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 약 15℃ 내지 약 30℃의 온도, 및 약 20 기압 내지 약 90 기압의 압력에서 형성되는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트의 형성 온도는 약 15℃ 내지 약 30℃, 약 15℃ 내지 약 25℃, 약 17℃ 내지 약 27℃, 약 17℃ 내지 약 25℃, 약 20℃ 내지 약 27℃, 또는 약 20℃ 내지 약 25℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트의 형성 압력은 약 20 기압 내지 약 90 기압, 약 20 기압 내지 약 80 기압, 약 20 기압 내지 약 70 기압, 약 20 기압 내지 약 60 기압, 약 20 기압 내지 약 50 기압, 약 20 기압 내지 약 40 기압, 또는 약 20 기압 내지 약 30 기압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the clathrate hydrate may be formed at a temperature of about 15 ° C to about 30 ° C and a pressure of about 20 to about 90 atm. In one embodiment of the present application, the formation temperature of the clathrate hydrate is about 15 ° C to about 30 ° C, about 15 ° C to about 25 ° C, about 17 ° C to about 27 ° C, about 17 ° C to about 25 ° C, about 20 °C to about 27 °C, or about 20 °C to about 25 °C, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, the formation pressure of the clathrate hydrate is about 20 atm to about 90 atm, about 20 atm to about 80 atm, about 20 atm to about 70 atm, about 20 atm to about 60 atm, about 20 atm It may be from about 50 atm to about 50 atm, from about 20 to about 40 atm, or from about 20 to about 30 atm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 약 15℃ 내지 약 30℃의 온도에서 약 1 kPa 내지 약 10 kPa(약 0.01 기압 내지 약 0.1기압) 수준으로 증기압이 낮아서 반복 사용이 가능한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the clathrate hydrate has a low vapor pressure of about 1 kPa to about 10 kPa (about 0.01 atm to about 0.1 atm) at a temperature of about 15 ° C to about 30 ° C. However, it is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 수화물-기반 에너지 저장에 이용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the clathrate hydrate may be used for hydrate-based energy storage, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트의 물 분자로 이루어진 격자 내에 가스를 포집하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, gas may be collected in a lattice composed of water molecules of the clathrate hydrate, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 신규 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 이용하여 클러스레이트 하이드레이트의 열역학적 안정성 및 저장 능력을 향상시킬 수 있다.In one embodiment of the present application, the thermodynamic stability and storage capacity of the clathrate hydrate may be improved by using a novel thermodynamic promoter for the clathrate hydrate.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 클러스레이트 하이드레이트는 하이드레이트-기반 에너지 저장에 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, the clathrate hydrate may be used for hydrate-based energy storage.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는 클러스레이트 하이드레이트를 이용하여 가스를 포집하는 것을 포함하는, 가스 포집 방법을 제공한다.A third aspect of the present application provides a gas collection method comprising collecting gas using a clathrate hydrate comprising a thermodynamic promoter for clathrate hydrate according to the first aspect of the present application.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 포집 방법에 의해 포집되는 상기 가스는 CH4, H2, N2, 또는 CO2인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the gas collected by the gas collecting method may be CH 4 , H 2 , N 2 , or CO 2 , but is not limited thereto.

본원의 구현예들에 따르면, 상기 클러스레이트 하이드레이트의 물 분자로 이루어진 격자 내에 CH4, H2, N2, 또는 CO2 등 가스를 포함하여 특별한 냉각 없이도, 상기 가스를 상온, 저압에서도 저장할 수 있다.According to the embodiments of the present application, the gas such as CH 4 , H 2 , N 2 , or CO 2 is included in the lattice made of water molecules of the clathrate hydrate, and the gas can be stored at room temperature and low pressure without special cooling. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스는 약 15℃ 내지 약 30℃의 온도, 및 약 20 기압 내지 약 90 기압의 압력에서 상기 클러스레이트 하이드레이트에 포집되는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스는 약 15℃ 내지 약 30℃, 약 15℃ 내지 약 25℃, 약 17℃ 내지 약 27℃, 약 17℃ 내지 약 25℃, 약 20℃ 내지 약 27℃, 또는 약 20℃ 내지 약 25℃의 온도에서 상기 클러스레이트 하이드레이트에 포집될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스는 약 20 기압 내지 약 90 기압, 약 20 기압 내지 약 80 기압, 약 20 기압 내지 약 70 기압, 약 20 기압 내지 약 60 기압, 약 20 기압 내지 약 50 기압, 약 20 기압 내지 약 40 기압, 또는 약 20 기압 내지 약 30 기압에서 상기 클러스레이트 하이드레이트에 포집될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the gas may be collected in the clathrate hydrate at a temperature of about 15 ° C to about 30 ° C and a pressure of about 20 to about 90 atm. In one embodiment of the present application, the gas is about 15 ℃ to about 30 ℃, about 15 ℃ to about 25 ℃, about 17 ℃ to about 27 ℃, about 17 ℃ to about 25 ℃, about 20 ℃ to about 27 ℃ , Or it may be collected in the clathrate hydrate at a temperature of about 20 ° C to about 25 ° C, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, the gas is about 20 to about 90 atm, about 20 to about 80 atm, about 20 to about 70 atm, about 20 to about 60 atm, about 20 to about 50 atm , It may be collected in the clathrate hydrate at about 20 atm to about 40 atm, or about 20 atm to about 30 atm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, CH4는 약 50 bar 내지 약 70 bar의 압력, H2는 약 80 bar 내지 약 100 bar의 압력, 및 N2는 약 60 bar 내지 약 100 bar의 압력에서 저장되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, CH4는 약 50 bar 내지 약 70 bar, 약 50 bar 내지 약 68 bar, 약 50 bar 내지 약 66 bar, 약 52 bar 내지 약 70 bar, 약 52 bar 내지 약 68 bar, 약 52 bar 내지 약 66 bar, 약 54 bar 내지 약 70 bar, 약 54 bar 내지 약 68 bar, 또는 약 54 bar 내지 약 66 bar의 압력에서 저장되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, CH4는 55 bar 내지 약 65 bar의 압력(moderate pressure)에서 저장되는 것이 가장 바람직하다. 본원의 일 구현예에 있어서, H2는 약 80 bar 내지 약 100 bar, 약 80 bar 내지 약 98 bar, 약 80 bar 내지 약 96 bar, 약 82 bar 내지 약 100 bar, 약 82 bar 내지 약 98 bar, 약 82 bar 내지 약 96 bar, 약 84 bar 내지 약 100 bar, 약 84 bar 내지 약 98 bar, 약 84 bar 내지 약 96 bar의 압력에서 저장되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, H2는 85 bar 내지 약 95 bar의 압력에서 저장되는 것이 가장 바람직하다. 본원의 일 구현예에 있어서, N2는 약 60 bar 내지 약 100 bar, 약 60 bar 내지 약 95 bar, 약 60 bar 내지 약 90 bar, 약 60 bar 내지 약 85 bar, 약 60 bar 내지 약 80 bar, 약 65 bar 내지 약 100 bar, 약 65 bar내지 약 95 bar, 약 65 bar 내지 약 90 bar, 약 65 bar 내지 약 85 bar, 또는 약 65 bar 내지 약 80 bar의 압력에서 저장되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, CH 4 is stored at a pressure of about 50 bar to about 70 bar, H 2 is at a pressure of about 80 bar to about 100 bar, and N 2 is stored at a pressure of about 60 bar to about 100 bar. It may be, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, CH 4 is about 50 bar to about 70 bar, about 50 bar to about 68 bar, about 50 bar to about 66 bar, about 52 bar to about 70 bar, about 52 bar to about 68 bar , It may be stored at a pressure of about 52 bar to about 66 bar, about 54 bar to about 70 bar, about 54 bar to about 68 bar, or about 54 bar to about 66 bar, but is not limited thereto. Specifically, CH 4 is most preferably stored at a moderate pressure of 55 bar to about 65 bar. In one embodiment of the present application, H 2 is about 80 bar to about 100 bar, about 80 bar to about 98 bar, about 80 bar to about 96 bar, about 82 bar to about 100 bar, about 82 bar to about 98 bar , It may be stored at a pressure of about 82 bar to about 96 bar, about 84 bar to about 100 bar, about 84 bar to about 98 bar, about 84 bar to about 96 bar, but is not limited thereto. Specifically, H 2 is most preferably stored at a pressure of 85 bar to about 95 bar. In one embodiment of the present application, N 2 is about 60 bar to about 100 bar, about 60 bar to about 95 bar, about 60 bar to about 90 bar, about 60 bar to about 85 bar, about 60 bar to about 80 bar , It may be stored at a pressure of about 65 bar to about 100 bar, about 65 bar to about 95 bar, about 65 bar to about 90 bar, about 65 bar to about 85 bar, or about 65 bar to about 80 bar, It is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스의 저장 용량은 이론적인 가스 저장용량 대비 약 70% 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스의 저장 용량은 이론적인 가스 저장용량 대비 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상 또는 약 99% 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the storage capacity of the gas may be about 70% or more of the theoretical gas storage capacity, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, the storage capacity of the gas may be about 70% or more, about 80% or more, about 90% or more, about 95% or more, or about 99% or more of the theoretical gas storage capacity, but is limited thereto. it is not going to be

종래 기술의 THF와 CP를 이용했을 때 CH4의 실험적인 최대 저장용량은 이론 저장량의 약 66%로서, 이는 70 v/v에 해당한다. THF + H2 또는 CP + H2 클러스레이트 하이드레이트에서 수소 저장량은 그보다 더 낮아서, 실험적인 최대치가 이론 저장량의 약 50%, 즉 약 50 v/v 밖에 되지 않는다.The experimental maximum storage capacity of CH 4 when using THF and CP of the prior art is about 66% of the theoretical storage capacity, which corresponds to 70 v/v. The hydrogen storage in THF + H 2 or CP + H 2 clathrate hydrates is even lower, with an experimental maximum of only about 50% of the theoretical storage, ie about 50 v/v.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스는 약 100 v/v까지 저장할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the gas may be stored up to about 100 v / v, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스를 포집하기 위해서 추가 냉각이 필요하지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, additional cooling may not be required to collect the gas, but is not limited thereto.

종래 모든 클러스레이트 하이드레이트는 상기 클러스레이트 하이드레이트가 만들어지는 조건(형성 조건)과 해리되는 조건(평형 조건)이 다르다. 클러스레이트 하이드레이트가 형성되는 온도(형성 온도)는 해리되는 온도 (평형 온도)보다 훨씬 낮기 때문에, 하이드레이트를 만들기 위해서는 평형 온도보다 훨씬 낮은 온도까지 냉각시켜야 하는 단점이 있다. All conventional clathrate hydrates have different conditions for making the clathrate hydrate (forming conditions) and dissociating conditions (equilibrium conditions). Since the temperature at which clathrate hydrates are formed (formation temperature) is much lower than the temperature at which they dissociate (equilibrium temperature), there is a disadvantage in that cooling to a temperature much lower than the equilibrium temperature is required to form hydrates.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 포집 방법은 상기 가스를 포집하여 저장, 수송, 또는 해리하는 것 중 하나 이상을 추가적으로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the gas collecting method may additionally include at least one of collecting, storing, transporting, or dissociating the gas, but is not limited thereto.

본원의 구현예들에 따르면, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 프로모터를 사용하는 경우, CH4 하이드레이트의 해리 온도가 향상되는 효과가 있다. 특히 14ECH는 종래 CP 및 THF에 근접할 정도의 해리 온도를 나타내며, ECP는 종래 CP 및 THF 보다 상당히 높은 해리 온도를 보이는 강력한 프로모터로서 작용할 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, 프로모션 효과는 ETHF < 12ECH < 14ECH < THF/CP < ECP 순으로 증가할 수 있다.According to embodiments of the present application, when using the ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH promoters, the dissociation temperature of CH 4 hydrate is improved. In particular, 14ECH exhibits a dissociation temperature close to that of conventional CP and THF, and ECP can act as a strong promoter showing a significantly higher dissociation temperature than conventional CP and THF. Specifically, for example, the promotion effect may increase in the order of ETHF < 12ECH < 14ECH < THF/CP < ECP.

본원의 일 구현예에 있어서, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트는 유독성을 나타내는 것에 비해, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트는 독성이 적고, 인화점이 높아 물리적으로 더 안전하고 더 환경친화적이다. In one embodiment of the present application, compared to conventional CP hydrate and THF hydrate, which exhibit toxicity, ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrate are physically safer and more environmentally friendly due to their low toxicity and high flash point.

본원의 일 구현예에 있어서, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트를 사용하는 경우, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트에 비해 우수한 기체 흡수 조건을 가진다.In one embodiment of the present application, when using ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrates, they have excellent gas absorption conditions compared to conventional CP hydrates and THF hydrates.

본원의 일 구현예에 있어서, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트를 사용하는 경우, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트에 비해 열역학적 안정성 및 저장 능력이 우수하다.In one embodiment of the present application, when using ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrate, thermodynamic stability and storage capacity are excellent compared to conventional CP hydrate and THF hydrate.

본원의 일 구현예에 있어서, ECP, ETHF, 14ECH, 및 12ECH 클러스레이트 하이드레이트를 사용하는 경우, 종래 CP 하이드레이트 및 THF 하이드레이트에 비해 우수한 프로모션 효과를 나타낸다.In one embodiment of the present application, when using ECP, ETHF, 14ECH, and 12ECH clathrate hydrate, it exhibits an excellent promotion effect compared to conventional CP hydrate and THF hydrate.

이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples of the present application, but the following examples are only exemplified to aid understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.

[실시예] [Example]

[물질][matter]

H2O(LC-MS grade, Merck), 6-옥사바이시클로[3.1.0]헥산(6-oxabicyclo[3.1.0]hexane; C5H8O = 1,2-에폭시시클로펜테인, ECP; epoxycyclopentane)(97%, Alfa Aesar), 3,6-디옥사바이시클로[3.1.0]헥산(3,6-dioxabicyclo[3.1.0]hexane C4H6O2 = 3,4-에폭시테트라히드로퓨란, ETHF; epoxytetrahydrofuran)(97%, Tokyo Chemical Industry), 7-옥사바이시클로[2.2.1]헵탄(7-oxabicyclo[2.2.1]heptane; C6H10O = 1,4-에폭시시클로헥산, 14ECH; 1,4-epoxycyclohexane)(98%, Alfa Aesar), 및 7-옥사바이시클로[4.1.0]헵탄(7-oxabicyclo[4.1.0]heptane; C6H10O = 1,2-에폭시시클로헥산, 12ECH; 1,2-epoxycyclohexane)(98%, Tokyo Chemical Industry)를 공급 받은대로 사용하였다. 고순도 CH4 (99.95%), H2(99.9%) 및 N2 (99.99%)는 Daesung Industrial Gas Corp에서 공급받았다.H 2 O (LC-MS grade, Merck), 6-oxabicyclo[3.1.0]hexane; C 5 H 8 O = 1,2-epoxycyclopentane, ECP ;epoxycyclopentane)(97%, Alfa Aesar), 3,6-dioxabicyclo[3.1.0]hexane C 4 H 6 O 2 = 3,4-epoxytetra Hydrofuran, ETHF; epoxytetrahydrofuran) (97%, Tokyo Chemical Industry), 7-oxabicyclo[2.2.1]heptane; C 6 H 10 O = 1,4-epoxycyclo Hexane, 14ECH; 1,4-epoxycyclohexane) (98%, Alfa Aesar), and 7-oxabicyclo[4.1.0]heptane; C 6 H 10 O = 1,2 -Epoxycyclohexane, 12ECH; 1,2-epoxycyclohexane) (98%, Tokyo Chemical Industry) was used as received. High-purity CH 4 (99.95%), H 2 (99.9%) and N 2 (99.99%) were supplied by Daesung Industrial Gas Corp.

실시예 1Example 1

<1,2-에폭시시클로펜테인(ECP; epoxycyclopentane)을 프로모터로서 포함하는 하이드레이트의 합성 및 특성분석><Synthesis and characterization of hydrate containing 1,2-epoxycyclopentane (ECP; epoxycyclopentane) as a promoter>

화학량론적 조성(XECP = 0.0556)과 비교하여, 약간 과량의 ECP(약 5%)을 물과 혼합하였다. ECP를 5.6 mol% 첨가한 물에 CH4 또는 H2를 주입하면 고체 클러스레이트 하이드레이트로 전환된다.Compared to the stoichiometric composition (X ECP = 0.0556), a slight excess of ECP (about 5%) was mixed with water. When CH 4 or H 2 is injected into water to which 5.6 mol% of ECP has been added, it is converted into solid clathrate hydrate.

이어서, 상기 혼합물을 고압 저항 셀(V ~ 100 mL)에 충진하고 상온에서 65 bar의 CH4 또는 90 bar의 H2로 가압하였다. 각각의 경우에 상기 셀을 200 ± 10 rpm으로 교반을 유지하면서 -1 K·h-1의 속도로 303 K로부터 점진적으로 냉각하였다. 상기 반응기를 약 263 K의 충분히 낮은 온도로 냉각시켜 완전히 전환된 상태의 고체 하이드레이트 상 샘플을 수득하였다. 고체 샘플을 신속하게 수득하여 액체 질소에 침지하였다. 마지막으로, 후속 분광 분석을 위해 미세 분말 (d < 200 μm)로 분쇄하였다.Then, the mixture was charged into a high-pressure resistance cell (V ~ 100 mL) and pressurized with CH 4 at 65 bar or H 2 at 90 bar at room temperature. In each case the cell was gradually cooled from 303 K at a rate of -1 K·h −1 while maintaining stirring at 200±10 rpm. The reactor was cooled to a sufficiently low temperature of about 263 K to obtain a fully converted solid hydrate phase sample. A solid sample was quickly obtained and immersed in liquid nitrogen. Finally, it was ground into a fine powder (d < 200 μm) for subsequent spectroscopic analysis.

싱크로트론 고해상도 분말 회절(HRPD; high-resolution powder diffraction) 패턴을 포항 가속기 연구소에서 빔-라인 9B로 측정하여 결정 구조를 규명하였다. 각각의 패턴은 1.5216 Å의 단일 파장을 사용하여 5.0° 부터 126.0°의 2θ범위 (스텝 폭 = 0.01° 및 스캔 시간 = 0.7 s/scan)에서 측정하였다. 150 K의 측정 온도, 약 50분의 측정 시간 동안, 상기 하이드레이트 샘플들은 해리되지 않았다. 이후, FullProf 프로그램을 사용하여 측정한 지점(적색 점)을 전체-프로파일 계산과 일치시켰다. 결과 함수(흑색 곡선) 및 χ 값을 도 1에 나타내었다.Synchrotron high-resolution powder diffraction (HRPD) patterns were measured with beam-line 9B at the Pohang Accelerator Laboratory to elucidate the crystal structure. Each pattern was measured in the 2θ range from 5.0° to 126.0° (step width = 0.01° and scan time = 0.7 s/scan) using a single wavelength of 1.5216 Å. At a measurement temperature of 150 K and a measurement time of about 50 minutes, the hydrate samples did not dissociate. Then, the measured points (red dots) were matched with full-profile calculations using the FullProf program. The resulting function (black curve) and χ values are shown in FIG. 1 .

도 1은, (a) ECP + CH4 및 (b) ECP + H2 하이드레이트(150K에서)의 HRPD 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 1a에 따르면(HRPD 분석), ECP + CH4 하이드레이트의 구조는 격자 파라미터 a = 17.2557 Å인 sII(Fd-3m) 타입임이 명확하게 확인되었으며, 이는 CP + CH4 하이드레이트(133K에서 17.23 Å)의 것과 유사하다. 반응하지 않은 ECP 인한 육각 얼음(Ih; hexagonal ice)의 양은 무시할만한 수준이었다. ECP + H2 하이드레이트의 구조 (도 1b)는 또한 격자 파라미터 a = 17.2360 Å의 sII 타입인 것으로 밝혀졌다.1 is a graph showing HRPD patterns of (a) ECP + CH 4 and (b) ECP + H 2 hydrate (at 150 K). According to Fig. 1a (HRPD analysis), the structure of ECP + CH 4 hydrate was clearly confirmed to be of the sII(Fd-3m) type with lattice parameter a = 17.2557 Å, which is similar to that of CP + CH 4 hydrate (17.23 Å at 133 K). similar to that The amount of hexagonal ice (Ih) from unreacted ECP was negligible. The structure of ECP+H 2 hydrate (FIG. 1b) was also found to be of type sII with lattice parameter a = 17.2360 Å.

다음으로, 고체 NMR 및 라만 실험을 모두 수행하여 게스트 구성 요소들의 분자 거동을 모니터링하였다. 상기 고체 NMR 실험은 한국기초과학지원연구원에서 Bruker 400 MHz Avance II 고체-상태 NMR을 사용하여 수행하였다. 13C MAS NMR 분석(hpdec)에서, 100.4 MHz의 라머(Larmor) 주파수, 1.6 μs의 펄스 길이(p1), 및 3 초의 반복 지연 시간 (d1; delay time)을 사용하였다. 1H MAS NMR 분석(1 펄스)에서, 400 MHz의 무선 주파수, 1.5 μs의 펄스 길이 (p1) 및 5 초의 반복 지연 시간 (d1)을 사용하였다. 테트라메틸실란(tetramethylsilane)의 정적(static) 13C 신호 및 1H 신호는 상온에서 0 ppm으로 정하였다. 모든 샘플들을 5 kHz의 MAS (magic-angle spinning) 속도로 210 K에서 측정하였다.Next, both solid-state NMR and Raman experiments were performed to monitor the molecular behavior of the guest components. The solid-state NMR experiments were performed using a Bruker 400 MHz Avance II solid-state NMR at the Korea Basic Science Institute. In the 13 C MAS NMR analysis (hpdec), a Larmor frequency of 100.4 MHz, a pulse length (p1) of 1.6 μs, and a repetition delay time (d1) of 3 seconds were used. In the 1 H MAS NMR analysis (1 pulse), a radio frequency of 400 MHz, a pulse length (p1) of 1.5 μs and a repetition delay time (d1) of 5 seconds were used. The static 13 C and 1 H signals of tetramethylsilane were set to 0 ppm at room temperature. All samples were measured at 210 K at a magic-angle spinning (MAS) speed of 5 kHz.

상기 게스트 분자들의 진동 주파수들은 고해상도 라만 장비(Horiba Jobin Yvon LabRam HR Evolution)로 연구하였다. 여기 소스(excitation source)로서 50 mW의 532 nm 레이저를 사용하였다. 모든 라만 스펙트럼은 저온 Linkam 액세서리를 사용하여 123 K에서 수득하였다.The vibrational frequencies of the guest molecules were studied with a high-resolution Raman instrument (Horiba Jobin Yvon LabRam HR Evolution). A 50 mW 532 nm laser was used as an excitation source. All Raman spectra were obtained at 123 K using a low temperature Linkam accessory.

ECP의 프로모션 성능을 측정하기 위해, 액체 상태의 일정한 몰 분율(XECP = 0.0556 및 물)에서 ECP + H2O + (CH4 또는 H2) 시스템의 평형 P-T 조건을 측정하였다. 상기 혼합물을 고압 저항 셀(V ~ 100 mL)에 충진하고 상온에서 적절한 압력의 CH4 또는 H2로 가압하였다. 각각의 경우에 상기 셀을 200 ± 10 rpm으로 교반을 유지하면서 -1 K·h-1의 속도로 303 K로부터 점진적으로 냉각하였다. 상기 반응기를 약 263 K의 충분히 낮은 온도까지 냉각시킨 후, 310 K (0.3 K·h-1의 속도로)로 더 천천히 재가열하였다. ECP를 도입함으로써, 상기 CH4 하이드레이트의 해리 조건은 주어진 압력에서 더 높은 온도로 급격히 상승하였다 (표 1). To measure the promotion performance of ECP, the equilibrium PT condition of the ECP + H 2 O + (CH 4 or H 2 ) system at a constant mole fraction in the liquid state (X ECP = 0.0556 and water) was measured. The mixture was filled in a high-pressure resistance cell (V ~ 100 mL) and pressurized with CH 4 or H 2 at an appropriate pressure at room temperature. In each case the cell was gradually cooled from 303 K at a rate of -1 K·h −1 while maintaining stirring at 200±10 rpm. After cooling the reactor to a sufficiently low temperature of about 263 K, it was reheated more slowly to 310 K (at a rate of 0.3 K·h −1 ). By introducing ECP, the dissociation conditions of the CH 4 hydrate rapidly rose to higher temperatures at a given pressure (Table 1).

표 1은, 프로모터를 함유하는 CH4 하이드레이트의 평형 P-T 조건(Xpromoter = 0.0556)을 나타낸 것이다.Table 1 shows the equilibrium PT conditions of CH 4 hydrate containing promoters (X promoter = 0.0556).

ECPECP CP CP THF THF THF (this work)THF (this work) T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) 297.0297.0 22.122.1 294.3294.3 21.621.6 293.1293.1 21.221.2 296.0296.0 31.731.7 301.4301.4 43.143.1 297.3297.3 35.735.7 297.0297.0 37.337.3 399.6399.6 54.154.1 303.1303.1 57.257.2 299.6299.6 51.251.2 300.1300.1 60.260.2 301.8301.8 78.178.1 303.8303.8 64.664.6 301.7301.7 67.067.0 302.3302.3 81.381.3 305.8305.8 83.783.7 303.0303.0 86.186.1

실험의 정확성을 검증하기 위해, 이미 잘 알려진 THF + CH4 시스템의 몇몇 평형점도 추가로 측정하였고, 그 결과는 보고된 값과 매우 잘 일치하였다.In order to verify the accuracy of the experiment, several equilibrium points of the already well-known THF + CH 4 system were additionally measured, and the results agreed very well with the reported values.

도 2는, 화학량론적 조성(XLGM = 0.056)에 따른 각각 THF, CP 및 ECP를 함유하는 (a) CH4 하이드레이트 및 (b) H2 하이드레이트의 평형 P-T 조건을 나타낸 그래프이다. 도 2a는, 단순 CH4(●), THF + CH4(◆), CP + CH4(

Figure 112020095643014-pat00005
), THF(◇), ECP + CH4(
Figure 112020095643014-pat00006
) 하이드레이트의 평형 조건을 나타내었다. 주어진 압력(동일 압력)에서, ECP + CH4 하이드레이는 단순 CH4 하이드레이트에 비해 약 23 K 높은 평형 온도를 나타내었다. 상기 ECP + CH4 하이드레이트의 모든 해리 온도는 각각 CP + CH4 하이드레이트 및 THF + CH4 하이드레이트의 해리 온도보다 각각 적어도 3 K 및 4 K 더 높은 것으로 또한 밝혀졌다. 이러한 온도 상승은 297 K에서 약 15 bar, 303 K에서 29 bar의 감소와 같은 현저한 압력 감소와 동등하다. 또한, THF + CH4 하이드레이트 및 CP + CH4 하이드레이트와는 달리, ECP + CH4 하이드레이트는 적절한 압력, 약 60 bar에서 30℃(303 K)까지 해리되지 않기 때문에 상온에서 에너지 가스를 저장 또는 운반할 수 있다.2 is a graph showing the equilibrium PT conditions of (a) CH 4 hydrate and (b) H 2 hydrate containing THF, CP and ECP, respectively, according to their stoichiometric composition (X LGM = 0.056). 2a shows simple CH 4 (●), THF + CH 4 (◆), CP + CH 4 (
Figure 112020095643014-pat00005
), THF(◇), ECP + CH 4 (
Figure 112020095643014-pat00006
) represents the equilibrium condition of the hydrate. At a given pressure (same pressure), ECP + CH 4 hydrate exhibited about 23 K higher equilibrium temperature than simple CH 4 hydrate. It has also been found that all dissociation temperatures of the ECP + CH 4 hydrates are at least 3 K and 4 K higher than those of CP + CH 4 hydrate and THF + CH 4 hydrate, respectively. This temperature rise is equivalent to a significant pressure drop, such as a drop of about 15 bar at 297 K and 29 bar at 303 K. Also, unlike THF + CH 4 hydrate and CP + CH 4 hydrate, ECP + CH 4 hydrate does not dissociate until 30 °C (303 K) at moderate pressure, about 60 bar, so it can store or transport energy gas at room temperature. can

동일 온도에서, 하이드레이트 형성에 요구되는 압력을 20 bar 내지 30 bar 낮출 수 있기 때문에, 하이드레이트에 에너지를 저장하는 데 필요한 에너지와 비용을 현저하게 절감할 수 있다.At the same temperature, since the pressure required for hydrate formation can be lowered by 20 bar to 30 bar, energy and cost required for storing energy in hydrates can be significantly reduced.

구체적으로, 도 2는, CH4를 주입한 후 서서히 냉각시켜 온도가 약 25℃(298 K)에 도달하면 ECP + H2O 혼합물이 CH4를 흡수하면서 ECP + CH4 하이드레이트가 수득된다 (고체 구조 내로 기체가 흡수되면서 압력이 급격하게 하강함). 고체 하이드레이트가 형성된 후에 다시 서서히 가열하면 하이드레이트가 해리되는 조건, 즉 평형 조건을 측정할 수 있다. 도 2에서, 약 32℃의 높은 온도에서 가스를 주입하고 실험하였다. 하지만 상온이 20℃ 내지 25℃임을 감안하면, CH4 가스를 적절한 압력으로 주입하기만 하면 하이드레이트가 생성된다. 즉, 냉각 과정 없이 에너지 가스를 저장할 수 있기 때문에 매우 경제적인 공정 구현이 가능하다.Specifically, in FIG. 2, when the temperature reaches about 25° C. (298 K) by slowly cooling after injecting CH 4 , ECP + CH 4 hydrate is obtained while the ECP + H 2 O mixture absorbs CH 4 (solid As gas is absorbed into the structure, the pressure drops rapidly). When the solid hydrate is formed and heated again slowly, the condition in which the hydrate dissociates, that is, the equilibrium condition can be measured. In FIG. 2, a gas was injected and tested at a high temperature of about 32°C. However, considering that the room temperature is 20°C to 25°C, hydrates are generated simply by injecting CH 4 gas at an appropriate pressure. That is, since energy gas can be stored without a cooling process, a very economical process can be implemented.

도 2b는, THF + H2(◆), CP + H2(

Figure 112020095643014-pat00007
) 및 ECP + H2(
Figure 112020095643014-pat00008
)하이드레이트의 평형 조건을 나타내었다. CH4 하이드레이트 시스템과 유사하게, ECP는 또한 H2 하이드레이트에 대해 가장 강력한 촉진 효과를 발휘하였다. ECP + H2 하이드레이트의 모든 해리 온도는 CP + H2 및 THF + H2 하이드레이트의 해리 온도보다 각각 적어도 2 K 및 4 K 더 높았다. 후자의 두 가지가 가장 강력한 프로모터로 알려졌기 때문에, ECP의 촉진 성능이 THF와 CP의 촉진 성능보다 현저하게 우수하다는 것은 놀라운 일이다.2b, THF + H 2 (◆), CP + H 2 (
Figure 112020095643014-pat00007
) and ECP + H 2 (
Figure 112020095643014-pat00008
) shows the equilibrium condition of the hydrate. Similar to the CH 4 hydrate system, ECP also exerted the strongest promoting effect on H 2 hydrate. All dissociation temperatures of ECP + H 2 hydrates were at least 2 K and 4 K higher than those of CP + H 2 and THF + H 2 hydrates, respectively. It is surprising that the promotion performance of ECP is significantly better than that of THF and CP, as the latter two are known to be the strongest promoters.

표 2는 프로모터를 함유하는 H2 하이드레이트에 대한 평형 P-T 조건(Xpromoter = 0.0556)을 나타낸 것이다.Table 2 shows the equilibrium PT conditions for H 2 hydrate containing promoters (X promoter = 0.0556).

ECPECP CPCP THF THF T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) 282.5282.5 26.626.6 280.7280.7 27.027.0 278.2278.2 21.321.3 283.6283.6 48.348.3 281.6281.6 49.449.4 279.2279.2 48.748.7 284.3284.3 68.268.2 282.4282.4 70.070.0 280.1280.1 83.083.0 284.9284.9 84.084.0 283.1283.1 90.490.4 280.8280.8 113113 285.5285.5 107.5107.5 283.7283.7 111111

도 3은, (a) THF 분자, (b) CP 분자, 및 (c) ECP 분자의 기하학적 구조를 나타낸 것이며, 각 원자 타입 사이의 가장 긴 중심-대-중심(center-to-center) 거리를 옹스트롬(angstroms) 단위로 표시하였다. 세 가지 화합물 THF, CP, 및 ECP 의 기하학적인 구조와 중심-대-중심 거리는 B3LYP(6-31G ++ d, p) 계산을 통해 얻었다. THF의 치수 및 CP의 치수는 보고된 값과 일치하였다. ECP 의 크기와 모양이 THF 나 CP 와 유사하기 때문에, ECP는 sI 타입 또는 sH 타입이 아닌 sII 하이드레이트를 형성할 것으로 예상할 수 있다. 3 shows the geometry of (a) a THF molecule, (b) a CP molecule, and (c) an ECP molecule, and the longest center-to-center distance between each atom type is It is expressed in angstroms. The geometric structures and center-to-center distances of the three compounds THF, CP, and ECP were obtained through B3LYP (6-31G ++ d, p) calculations. The dimensions of THF and CP were consistent with the reported values. Since the size and shape of ECP is similar to that of THF or CP, it can be expected that ECP will form sII hydrates, neither sI nor sH types.

구조를 교차 점검하고 CH4 게스트 분자를 모니터링하기 위해 고체-상태 13C NMR 및 라만 분광분석법을 이용하였다. 도 4는, 123 K 및 대기압에서 측정한 (a) ECP + CH4 하이드레이트 및 (b) ECP + H2 하이드레이트의 라만 스펙트럼을 각각 나타낸 것이다. 도 4a에서 볼 수 있듯이, 2911.6 cm-1에서의 피크는 CH4 분자가 sII-S 케이지에 수용됨을 명확히 나타낸다. 2855 cm-1, 2925 cm-1, 및 2975 cm-1 근처의 다른 피크는 ECP 분자의 일부 C-H 진동에 기인한다. 도 4b에서 볼 수 있듯이, sII-S 케이지에서 H2 분자의 전형적인 피크는 4110 cm-1부터 4130 cm-1사이에서 검출되었으며, 4115 cm-1 와 4127 cm-1 근처의 두 피크는 H2 분자의 오쏘-파라 전이(ortho-para transition)에 기인한다.Solid-state 13 C NMR and Raman spectroscopy were used to cross-check structures and monitor CH 4 guest molecules. 4 shows Raman spectra of (a) ECP + CH 4 hydrate and (b) ECP + H 2 hydrate measured at 123 K and atmospheric pressure, respectively. As shown in Fig. 4a, the peak at 2911.6 cm -1 clearly indicates that CH 4 molecules are accommodated in the sII-S cage. Other peaks near 2855 cm −1 , 2925 cm −1 , and 2975 cm −1 are attributed to some CH vibrations of the ECP molecule. As shown in Figure 4b, typical peaks of H 2 molecules in the sII-S cage were detected between 4110 cm -1 and 4130 cm -1 , and the two peaks near 4115 cm -1 and 4127 cm -1 are H 2 molecules. It is due to the ortho-para transition of

도 5는, (a) ECP + CH4 하이드레이트의 고체-상태 13C NMR 및 (b) ECP + H2 하이드레이트의 1H NMR(210 K에서)을 나타낸 것이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 작은 (512) 케이지에 포집된 상기 CH4 분자에 상응하는, δ = -4.60 ppm에서 명확한 피크가 검출되었다. sI-S, sI-L 및 sII-L 케이지에 각각 포집된 CH4 분자의 전형적인 약 -4.3 ppm, -6.7 ppm 및 -8.3 ppm에서의 다른 피크들은 검출되지 않았다. 고체-상태 1H NMR 결과들은 또한 ECP + H2 하이드레이트에서 H2 포집화(enclathration)를 명확하게 나타낸다(도 5b). 4.1 ppm을 중심으로 한 적당히 넓은 피크는 상기 sII-S 케이지에 포집된 상기 H2 분자에 기인하며, 이는 이전에 보고된 결과와 매우 일치한다. 상기 sII-S 케이지에 수용된 CH4 분자 및 H2 분자로 인해 상응하는 2912 cm-1 및 4125 cm-1 근처의 진동 밴드가 라만 스펙트럼에서도 명확하게 발견되었다 (도 4). HRPD, NMR, 및 라만 조사 결과를 요약하면, 에너지 기체는 작은 케이지에 용이하게 저장되는 반면, 상기 ECP 분자는 큰 케이지를 차지한다.5 shows (a) solid-state 13 C NMR of ECP + CH 4 hydrate and (b) 1 H NMR (at 210 K) of ECP + H 2 hydrate. As shown in Fig. 5a, a clear peak was detected at δ = -4.60 ppm, corresponding to the CH 4 molecules trapped in small (5 12 ) cages. Other peaks at about -4.3 ppm, -6.7 ppm and -8.3 ppm typical of CH 4 molecules trapped in the sI-S, sI-L and sII-L cages, respectively, were not detected. The solid-state 1 H NMR results also clearly indicate H 2 enclathration in ECP + H 2 hydrate ( FIG. 5B ). The moderately broad peak centered at 4.1 ppm is attributed to the H 2 molecules trapped in the sII-S cage, which is in excellent agreement with previously reported results. Corresponding vibrational bands near 2912 cm −1 and 4125 cm −1 due to CH 4 molecules and H 2 molecules accommodated in the sII-S cage were also clearly found in the Raman spectrum (FIG. 4). Summarizing the results of HRPD, NMR, and Raman investigations, energy gases are easily stored in small cages, while the ECP molecules occupy large cages.

도 5b에서, 피크들을 (1) 4.1 ppm을 중심으로 하는 약간 넓은 피크, (2) 3.5 ppm 내지 1.0 ppm 범위의 네 개의 날카로운 피크, (3) 2 ppm 주변을 중심으로 하는 가장 넓은 백그라운드 피크의 세 그룹으로 상기 피크들을 분류할 수 있다. (1) 첫 번째 피크는 sII-S 케이지에 포집된 H2 분자에 기인한 것으로, 이전에 보고된 결과와 매우 일치한다. (2) 루이스 구조만 고려하면, ECP 분자에는 세 개의 서로 다른 타입의 수소 원자들이 2 : 4 : 2의 비율로 존재하므로, 면적 비가 2:4:2인 세 개의 피크를 예상할 수 있다. 그러나, 제 2 세트의 네 개의 피크들에서 관찰되는 다소 복잡한 패턴들은 ECP의 몇몇 컨포머 또는 거울상 이성질체로부터의 피크의 조합들로 인해 발생할 수 있다. (3) 따라서, 나머지 제 3 피크는 물 구조체(water framework)로부터 발생했을 것이다. 이와 같이 다소 불확실한 면이 있기는 하지만, H2 분자가 sII-S 케이지에 포집된 것은 확실하다. 여기서, H2 용량은 Strobel et al.에 의해 보고된 것과 동일한 방법에 의해 결정되었다. 피크 (1)와 세트 (2) 의 네 개의 피크 사이의 상대 면적은 약 1 : 3으로, H2 점유율은 약 0.67을 나타낸다. 그러나, H2 분자는 오쏘-이성질체 및 파라-이성질체의 형태로 존재하며, 그 중 전자만이 1H NMR에 의해 관찰될 수 있다. 따라서, 200K 보다 높은 온도에서 오쏘-H2 대 파라-H2의 비가 약 3:1임을 감안하면, 실제 H2 점유율은 약 0.9가 된다. 작은 케이지의

Figure 112020095643014-pat00009
및 단일 H2 점유율을 가정하였으며, 또한 용량을 다른 방식으로 추가 교차 점검하였다. ECP + H2O의 화학량론적 혼합물을 박막 형태(t ~ 0.2 mm)의 액체 질소로 ??칭하였다. 고체 샘플을 미세 분말(d ~ 200 μm)로 분쇄한 후, 243 K에서 ~ 100 bar의 H2로 가압하였다. 4 일 후, 저장된 H2의 부피를 측정하기 위해 상기 샘플을 용융시키고 방출되는 가스의 부피를 측정하였다. 평균 93 cm3의 H2(STP)가 1 g의 ECP + H2 하이드레이트 샘플에 저장되어, 13 H2 · 8 ECP · 136 H2O 및
Figure 112020095643014-pat00010
을 나타내었다.In Figure 5b, the peaks are (1) a slightly broad peak centered around 4.1 ppm, (2) four sharp peaks ranging from 3.5 ppm to 1.0 ppm, and (3) three of the broadest background peaks centered around 2 ppm. The peaks can be classified into groups. (1) The first peak is due to H 2 molecules trapped in the sII-S cage, which is in excellent agreement with previously reported results. (2) Considering only the Lewis structure, since three different types of hydrogen atoms exist in the ECP molecule in a ratio of 2:4:2, three peaks with an area ratio of 2:4:2 can be expected. However, the rather complex patterns observed in the second set of four peaks may arise due to combinations of peaks from several conformers or enantiomers of ECP. (3) Therefore, the remaining third peak would have arisen from the water framework. Despite this somewhat uncertain aspect, it is certain that H 2 molecules are trapped in the sII-S cage. Here, the H 2 dose was determined by the same method as reported by Strobel et al. The relative area between peak (1) and the four peaks of set (2) is about 1:3, indicating an H 2 occupancy of about 0.67. However, H 2 molecules exist in the form of ortho-isomers and para-isomers, of which only the former can be observed by 1 H NMR. Therefore, considering that the ratio of ortho-H 2 to para-H 2 is about 3:1 at a temperature higher than 200 K, the actual H 2 occupancy is about 0.9. in a small cage
Figure 112020095643014-pat00009
and a single H 2 occupancy were assumed, and the capacities were further cross-checked in different ways. A stoichiometric mixture of ECP + H 2 O was quenched with liquid nitrogen in the form of a thin film (t ~ 0.2 mm). The solid sample was ground into a fine powder (d ~ 200 μm) and then pressurized with ~ 100 bar of H 2 at 243 K. After 4 days, the sample was melted and the volume of gas released was measured to determine the volume of H 2 stored. An average of 93 cm 3 of H 2 (STP) was stored in 1 g of ECP + H 2 hydrate sample, resulting in 13 H 2 8 ECP 136 H 2 O and
Figure 112020095643014-pat00010
showed

상기 서술한 측정에 의해 적어도 0.8 wt% 이상의 H2(13 H2 · 8 ECP · 136 H2O) 저장 용량은 확실히 규명되었다. 이는 유사한 압력(~100 bar)하에 형성되는 THF + H2 하이드레이트의 용량에 비해 명확히 더 높은 용량이다. The storage capacity of H 2 (13 H 2 8 ECP 136 H 2 O) of at least 0.8 wt % was clearly established by the above-described measurements. This is a clearly higher capacity compared to the capacity of THF + H 2 hydrate formed under similar pressure (~100 bar).

기존 프로모터보다 월등히 뛰어난 성능을 보이는 이유를 찾기 위해, ECP와 H2O로만 구성된 샘플을 조사하였다. ECP + H2O의 액체 혼합물을 연속적인 교반 하에 상온에서 서서히 냉각시켜 충분히 균질한 고체 샘플을 제조하였다. HRPD 패턴(도 6)은 외부 기체 성분이 없는 경우에도 ECP + H2O가 sII 하이드레이트를 형성함을 명확하게 나타내었다. 격자 상수는 150 K에서 17.2380 Å인 것으로 결정되었다. 이 값은 ECP + H2의 격자 상수와 거의 동일하지만 ECP + CH4 하이드레이트의 격자 상수보다는 약간 작다.In order to find the reason for the significantly better performance than the existing promoters, a sample composed of only ECP and H 2 O was investigated. The liquid mixture of ECP + H 2 O was cooled slowly at room temperature under continuous stirring to prepare a sufficiently homogeneous solid sample. The HRPD pattern (FIG. 6) clearly indicated that ECP + H 2 O formed sII hydrate even in the absence of an external gas component. The lattice constant was determined to be 17.2380 Å at 150 K. This value is almost equal to the lattice constant of ECP + H 2 but slightly smaller than that of ECP + CH 4 hydrate.

도 6은, 150 K에서 측정한 ECP + H2O 하이드레이트의 HRPD 패턴을 나타낸 것이다. 격자 상수는 ECP + CH4 하이드레이트(17.2558 Å) > ECP + H2O 하이드레이트(17.2380 Å)

Figure 112020095643014-pat00011
ECP + H2 하이드레이트(17.2360 Å)의 순서이다. 기체가 없는 ECP 하이드레이트는 추가 CH4 분자가 그것의 내부로 수용될 때 약간 팽창하는 것으로 보인다. 그러나, H2 하이드레이트의 경우, H2의 분자 크기가 CH4의 분자 크기보다 훨씬 작다는 것을 고려하면, H2 포집(enclathration)에 따른 격자 팽창은 발생하지 않은 것으로 나타났다.6 shows the HRPD pattern of ECP + H 2 O hydrate measured at 150 K. The lattice constant is ECP + CH 4 hydrate (17.2558 Å) > ECP + H 2 O hydrate (17.2380 Å)
Figure 112020095643014-pat00011
The sequence is ECP + H 2 hydrate (17.2360 Å). Gasless ECP hydrate appears to expand slightly as additional CH 4 molecules are admitted into it. However, in the case of H 2 hydrate, considering that the molecular size of H 2 is much smaller than that of CH 4 , lattice expansion due to H 2 enclavement did not occur.

또한, 상기 ECP + H2O 하이드레이트의 격자 상수가 THF + H2O (17.1740 Å) 하이드레이트와 CP + H2O (17.2464 Å) 하이드레이트의 격자 상수 사이인 점을 감안할 때, ECP분자의 유효 크기는 또한 THF와 CP 분자의 유효 크기들 사이일 것을 추정하였다. In addition, considering that the lattice constant of the ECP + H 2 O hydrate is between the lattice constant of THF + H 2 O (17.1740 Å) hydrate and CP + H 2 O (17.2464 Å) hydrate, the effective size of the ECP molecule is It was also assumed to be between the effective sizes of THF and CP molecules.

추가적인 HRPD 측정(도 7)에 따르면, 기체가 없는 ECP 하이드레이트가 280 K 이하의 특정 온도에서 해리되는 것을 알아내었다. 상기 온도는 기체가 없는 THF(~ 277 K) 및 CP(~ 280 K) 하이드레이트의 녹는 점과 비슷하다. 따라서, 기체가 없는 ECP 하이드레이트의 해리 온도가 기체가 없는 THF 및 CP 하이드레이트의 것에 비해 특별히 높지는 않지만, sII 구조를 안정화하는 ECP의 능력이 현저한 촉진 효과에 핵심적인 역할을 할 것으로 결론지을 수 있다. According to additional HRPD measurements (FIG. 7), it was found that the gas-free ECP hydrate dissociated at a certain temperature below 280 K. These temperatures are close to the melting points of gaseous THF (~ 277 K) and CP (~ 280 K) hydrates. Therefore, although the dissociation temperature of gasless ECP hydrate is not particularly high compared to that of gasless THF and CP hydrates, it can be concluded that the ability of ECP to stabilize the sII structure plays a key role in the significant promoting effect.

도 7은, ECP + H2O 하이드레이트의 경우, 온도에 따른 (a) 격자 파라미터 및 (b) 정규화된 격자 파라미터 (150 K에서의 격자 파라미터를 a0으로 설정함)를 나타낸 그래프이다. sII 격자는 여러 연구들에서 보고된 결과와 잘 일치하여, 거의 일정한 선형 팽창 계수 5.8 Х 10-5로서 점진적으로 팽창하였다. 마지막으로, 270 K에서의 격자 파라미터는 150K에서의 격자 파라미터보다 약 0.7% 더 커진다. 그러나, sII 구조를 나타내는 명확한 패턴들은 상기 샘플이 280 K로 가열될 때 붕괴됨을 알 수 있다. 따라서, 고체 ECP 하이드레이트가 280 K 이하의 특정 온도에서 해리되는 것으로 결론지었다.7 is a graph showing (a) a lattice parameter and (b) a normalized lattice parameter (the lattice parameter at 150 K is set to a 0 ) according to temperature in the case of ECP + H 2 O hydrate. The sII lattice expanded gradually with a nearly constant linear expansion coefficient of 5.8 Х 10 -5 , in good agreement with the results reported in several studies. Finally, the lattice parameter at 270 K becomes about 0.7% larger than that at 150 K. However, it can be seen that clear patterns representing the sII structure collapse when the sample is heated to 280 K. Therefore, it was concluded that solid ECP hydrate dissociates at a specific temperature below 280 K.

또한 ECP 하이드레이트 시스템의 특정한 고유한 특징들, 특히 응용을 위해 중요한 세 가지 요소, (1) 저장 용량, (2) 기체 흡수 조건, 및 (3) 재사용성 및 안전성을 제시하였다. 많은 연구자들이 분명히 입증했듯이, 개별적인 게스트 성분의 NMR 피크 면적을 적분하여 비교함으로써 각 게스트의 점유율과 하이드레이트의 조성을 결정할 수 있다. In addition, certain unique characteristics of the ECP hydrate system are presented, especially three factors that are important for the application: (1) storage capacity, (2) gas absorption conditions, and (3) reusability and safety. As many researchers have clearly demonstrated, the occupancy of each guest and the composition of the hydrate can be determined by integrating and comparing the NMR peak areas of individual guest constituents.

도 8은, 210 K에서 측정한 ECP + CH4 하이드레이트의 전체 범위 13C NMR 스펙트럼을 나타낸 것이며, sII-L 케이지의 CH4로 인해 -8.3 ppm (흑색 화살표)에서 신호가 감지되지 않았다 (도 7a 참조).Figure 8 shows the full range 13 C NMR spectrum of ECP + CH 4 hydrate measured at 210 K, and no signal was detected at -8.3 ppm (black arrow) due to CH 4 in the sII-L cage (Fig. 7a Reference).

-4.60 ppm의 CH4 피크에 추가하여, ECP 분자로 인한 세 개의 주요 피크들이 검출되었다. 다운 필드에서 업 필드까지, +55.52 ppm, +27.28 ppm 및 +18.34 ppm의 피크들은 각각 ECP 분자의 α 탄소, β 탄소 및 γ 탄소에 상응한다. 실제 면적비는 약 1.5 : 1.8 : 1.0인 것으로 측정되었으며, 이는 각 타입의 탄소 수에 기반하여 예상되는 2 : 2 : 1의 이상적인 비와 다소 차이가 있다. 많은 연구자들은 상이한 게스트들의 13C NMR 피크의 면적을 통합함으로써 케이지 점유율을 수득하고 하이드레이트의 조성을 결정하는 방법들을 이미 제시하였다. 그러나, 최근 연구에서 작용기가 인접 탄소들(특히 α 탄소)에 설명할 수 없는 방식으로 영향을 미쳐, NMR 강도를 약간 감소시킬 수 있다고 보고하였다. 따라서, 본 발명자들은 본 연구에서 상기 γ 탄소의 피크를 사용하였으며, 이것은 산소 원자에서 가장 먼 탄소이고, ECP와 CH4 사이의 몰비를 수득하였다. 대형 케이지가 ECP 또는 CH4(

Figure 112020095643014-pat00012
)로 완전히 채워져 있다고 가정하면, sII-S 케이지에서 CH4의 점유율은 [01] 하기와 같이 계산할 수 있다.In addition to the CH 4 peak at -4.60 ppm, three main peaks due to ECP molecules were detected. From downfield to upfield, the peaks at +55.52 ppm, +27.28 ppm and +18.34 ppm correspond to the α carbon, β carbon and γ carbon of the ECP molecule, respectively. The actual area ratio was measured to be about 1.5 : 1.8 : 1.0, which is somewhat different from the expected ideal ratio of 2 : 2 : 1 based on the number of carbons of each type. Many researchers have already presented methods to obtain the cage occupancy and determine the composition of the hydrate by integrating the areas of the 13 C NMR peaks of different guests. However, recent studies have reported that functional groups can affect neighboring carbons (particularly the α carbon) in an unexplained way, reducing the NMR intensity slightly. Therefore, we used the peak of the γ carbon in this study, which is the carbon furthest from the oxygen atom, and obtained the molar ratio between ECP and CH 4 . A large cage is suitable for ECP or CH 4 (
Figure 112020095643014-pat00012
), the occupancy of CH 4 in the sII-S cage [01] can be calculated as follows.

Figure 112020095643014-pat00013
Figure 112020095643014-pat00013

여기서, A는 각 타입의 탄소의 상대 면적이고 NEC는 상응하는 탄소 수이다. 상대 면적 값에 따르면,

Figure 112020095643014-pat00014
임을 알 수 있었다. 따라서 본원에 사용된 형성 조건 하에서, 상기 ECP + CH4 하이드레이트의 전체 조성은 14 CH4 · 8 ECP · 136 H2O 임을 의미한다. 상기 CH4 함량은 STP에서 약 100 cm3 CH4/cm3 하이드레이트, 또는 6.7 wt%와 동등하다. 상기 CH4 저장 용량은 다른 CH4 하이드레이트의 저장 용량보다 상당히 높다. 예를 들어, Seo et al.은 THF의 화학량론적 농도에서 THF + CH4 하이드레이트의 CH4 점유율은 0.37이라고 보고하였다. 보다 최근의 연구에 따르면 THF 하이드레이트에서 메탄 흡수(uptake)는 약 0.07 mol CH4/mol H2O이고, 이는 CH4 점유율이 0.60임을 뜻한다. CP + CH4 하이드레이트의 경우, Lv et al.은 0.2 내지 0.4 범위의
Figure 112020095643014-pat00015
값을 보고한 반면, Lee et al.은 0.60의 훨씬 더 높은 값을 제안하였다 (표 3 참조). 하지만 ECP + CH4 하이드레이트의 저장 용량에는 훨씬 미치지 못한다.where A is the relative area of each type of carbon and N EC is the corresponding number of carbons. According to the relative area value,
Figure 112020095643014-pat00014
was found to be Thus, under the formation conditions used herein , the overall composition of the ECP + CH 4 hydrate is 14 CH 4 8 ECP 136 H 2 O. The CH 4 content is equivalent to about 100 cm 3 CH 4 /cm 3 hydrate at STP, or 6.7 wt %. The CH 4 storage capacity is significantly higher than that of other CH 4 hydrates. For example, Seo et al. reported that the CH 4 occupancy of THF + CH 4 hydrate at the stoichiometric concentration of THF was 0.37. A more recent study showed that the methane uptake in THF hydrate is about 0.07 mol CH 4 /mol H 2 O, which implies a CH 4 occupancy of 0.60. For CP + CH 4 hydrate, Lv et al. ranged from 0.2 to 0.4.
Figure 112020095643014-pat00015
While reporting a value, Lee et al. suggested a much higher value of 0.60 (see Table 3). However, it falls far short of the storage capacity of ECP + CH 4 hydrate.

표 3은, THF, CP 또는 ECP + CH4 하이드레이트의 CH4 점유율, 조성, 및 CH4 함량을 나타낸 것이다.Table 3 shows the CH 4 occupancy, composition, and CH 4 content of THF, CP or ECP + CH 4 hydrate.

ECP + CH4 ECP + CH 4 THF + CH4 THF + CH 4 CP + CH4 CP + CH 4

Figure 112020095643014-pat00016
Figure 112020095643014-pat00016
0.870.87 0.37 0.37 0.600.60 0.30 0.30 0.60 0.60 x CH4 · 8 LGM ·136 H2Oa x CH 4 8 LGM 136 H 2 O a 13.913.9 5.95.9 9.59.5 4.84.8 9.69.6 mmol CH4 / mol H2Ommol CH 4 / mol H 2 O 102102 4343 70 70 3535 7171

a LMG: 큰 게스트 분자 (large guest molecules) a LMG: large guest molecules

표 3에 요약된 바와 같이, 보고된 CH4 함량은 THF + CH4 하이드레이트 및 CP+CH4 하이드레이트에 대한 약 70 cm3 CH4/cm3 하이드레이트에 동등하게, 10 CH4 · 8 (THF/CP) 136 H2O를 초과하지 않았다. 따라서, 상기 ECP + CH4 하이드레이트는 종래의 THF + CH4 하이드레이트 및 CP + CH4 하이드레이트보다 적어도 1.5 배의 CH4 기체를 함유한다는 것에 주목해야만 한다. As summarized in Table 3, the reported CH 4 content is approximately 70 cm 3 CH 4 /cm 3 hydrate for THF + CH 4 hydrate and CP+CH 4 hydrate, equivalent to 10 CH 4 8 (THF/CP ) did not exceed 136 H 2 O. Accordingly, it should be noted that the ECP + CH 4 hydrate contains at least 1.5 times more CH 4 gas than conventional THF + CH 4 hydrates and CP + CH 4 hydrates.

또한 ECP를 첨가함으로써, 여타 CH4 하이드레이트에 비하여 월등히 높은 온도에서 기체 흡수 과정이 일어남을 관측하였다. 가압된 액체 혼합물을 서서히 냉각시킬 때, 이론적으로는, 하이드레이트의 해리 온도를 통과한 후 즉시 하이드레이트가 형성되기 시작해야 하며, 즉 급격한 압력 강하가 일어나야 한다. 그러나, 일반적으로, 상기 압력의 감소는 거의 항상 해리 온도보다 훨씬 아래에서 발생하는데, 이는 주로 일부 동역학적 제한에 의해 유도되는 것으로 보인다. 결과적으로, 특히 대규모 활용에서 추가 냉각 및 혼합 과정에 대한 추가적인 시간, 에너지, 및 비용 요구 사항이 상당할 것이다. In addition, it was observed that the gas absorption process occurred at a much higher temperature than other CH4 hydrates by adding ECP. When slowly cooling a pressurized liquid mixture, theoretically, hydrates should begin to form immediately after passing the dissociation temperature of the hydrates, i.e., a rapid pressure drop should occur. However, in general, the decrease in pressure almost always occurs well below the dissociation temperature, which appears to be primarily driven by some kinetic constraints. As a result, the additional time, energy, and cost requirements for additional cooling and mixing processes would be significant, especially in large-scale applications.

도 9는 ECP + CH4 하이드레이트의 형성/해리 과정에 의해 측정된 P-T 궤적 (25.3℃, 60 bar, CH4 uptake)을 나타낸 것이다. 압력은 298.4K에서 급격히 떨어지기 시작했으며, 해리 온도 303.8 K(30.7℃, 64.6 bar, dissociation)와 크게 다르지 않았다. 반대로, THF + CH4 + H2O 시스템의 경우 평형 점(299.5 K, 54.0 bar)과 비교하여 시작점(286.4 K, 51.0 bar)을 얻었다. 따라서, ECP를 도입하면 그다지 높지 않은 적당한 압력 수준에서도 추가 냉각 없이 상온에서 ECP + CH4 하이드레이트를 형성할 수 있음에 주목해야만 한다. 이것은 상온이 약 20℃임을 감안하면, CH4 가스를 적절한 압력으로 주입하기만 하면 하이드레이트가 형성된다는 뜻이다. 즉, 냉각 과정 없이 에너지 가스를 저장할 수 있기 때문에, 매우 경제적인 공정을 기대할 수 있다. FIG. 9 shows PT traces (25.3° C., 60 bar, CH 4 uptake) measured by the formation/dissociation process of ECP + CH 4 hydrate. The pressure started to drop rapidly at 298.4 K and was not significantly different from the dissociation temperature of 303.8 K (30.7 °C, 64.6 bar, dissociation). Conversely, the starting point (286.4 K, 51.0 bar) was obtained compared to the equilibrium point (299.5 K, 54.0 bar) for the THF + CH 4 + H 2 O system. Thus, it should be noted that the introduction of ECP allows the formation of ECP + CH 4 hydrate at room temperature without further cooling even at moderate pressure levels which are not very high. This means that the hydrate is formed simply by injecting CH 4 gas at an appropriate pressure, given that the room temperature is about 20°C. That is, since energy gas can be stored without a cooling process, a very economical process can be expected.

화학 물질 ECP가 재사용성 및 안전성 측면에서 적절한 특성을 보이는데, 따라서 보다 지속 가능한 응용성을 기대할 수 있다.The chemical substance ECP shows suitable properties in terms of reusability and safety, so more sustainable applications can be expected.

표 4는, THF, CP 및 ECP a의 물리적 특성 및 안전성 데이터를 나타낸 것이다.Table 4 shows the physical properties and safety data of THF, CP and ECP a .

Psat(kPa)a P sat (kPa) a Tb (oC)T b ( o C) Tf (oC)T f ( o C) ρ (g/ml) a ρ (g/ml) a Hazard statementsHazard statements THFTHF 19.3 19.3 6666 -21-21 0.8800.880 H225, H302, H319, H335, H336, H351H225, H302, H319, H335, H336, H351 CPCP 3636 5050 -7 (-20)-7 (-20) 0.7450.745 H225, H304, H315, H319, H335c, H336, H412H225, H304, H315, H319, H335 c , H336, H412 ECPECP 6.06.0 102102 1010 0.9640.964 H225, H315, H319, H335H225, H315, H319, H335

a 293 K에서의 값. a Value at 293 K.

물의 증기압(293 K에서 2.3 kPa)에 비해 THF 또는 CP의 Psat 값이 현저히 더 높기 때문에, 저장된 기체를 방출하는 과정에서 필연적으로 빠져나오는 THF의 양 또는 CP의 양은 무시할 수 없다. 이를 고려할 때, ECP 는 THF 또는 CP 에 비해 휘발성이 훨씬 작기 때문에, 상기 ECP 하이드레이트 시스템으로부터 더 높은 재사용성을 기대할 수 있다. 한편, ECP의 인화점은 THF의 인화점및 CP의 인화점보다 훨씬 높다. 또한, ECP는 THF의 H315 (암을 일으킬 것으로 의심됨) 및 CP의 H412 (수생 생물에게 장기간 유해한 영향을 미침) 같은 중요한 독성을 나타내지 않는 것으로 보인다. 따라서, ECP를 통해 물리적으로 더 안전하고 더 환경친화적인 과정을 실현할 수 있을 것으로 또한 기대된다.Since the P sat value of THF or CP is significantly higher than the vapor pressure of water (2.3 kPa at 293 K), the amount of THF or CP that is inevitably released in the process of releasing the stored gas cannot be ignored. Considering this, since ECP is much less volatile than THF or CP, higher reusability can be expected from the ECP hydrate system. On the other hand, the flash point of ECP is much higher than that of THF and that of CP. In addition, ECP does not appear to exhibit significant toxicity such as H315 in THF (suspected to cause cancer) and H412 in CP (long-term harmful effects to aquatic life). Therefore, it is also expected that a physically safer and more environmentally friendly process can be realized through ECP.

지금까지, HBES 목적으로서, ECP를 포함한 신규 클라트레이트 하이드레이트를 조사하였다(도 10). 도 10은 ECP를 사용한 HBES의 개략도를 나타낸 것이다. 도 10에 나타낸 T 및 P 값은 CH4 저장을 기반으로 하였다.So far, for HBES purposes, novel clathrate hydrates containing ECP have been investigated (FIG. 10). 10 shows a schematic diagram of HBES using ECP. The T and P values shown in FIG. 10 were based on CH 4 storage.

종래 하이드레이트들과 비교하여, 상기 ECP 하이드레이트는 하기와 같이 몇 가지 뛰어난 특징을 나타낸다: (1) 현저하게 개선된 열역학적 안정성, (2) 상당히 향상된 저장 능력, (3) 촉진된 기체 흡수 조건, 및 (4) 더 나은 지속가능성. 이러한 유망한 능력 때문에, 본 발명자들은 제안된 ECP 하이드레이트 시스템을 사용하여 지속가능한 HBES 기술을 실현할 수 있음을 강조한다. 본 연구가 주로 구조, 열역학적 조건, 및 저장 용량과 관련된 기본 특성들에 중점을 두었으므로, 산업 응용 분야의 향후 작업에는 형성/해리의 동역학, ECP의 안정성 및 재사용성, 조건의 최적화 및 관련 영역을 포함하는 다양한 산업적인 주요 포인트들을 포함한 추가 연구가 필요하다. 본 발명자들은 또한 본 발명의 발견 및 결과가 과학 분야 및 공학 분야의 연구자들로부터 큰 관심을 받을 것이며, 하이드레이트-기반 기술의 획기적인 발전을 제안했다고 본다. Compared to conventional hydrates, the ECP hydrate exhibits several outstanding characteristics: (1) significantly improved thermodynamic stability, (2) significantly improved storage capacity, (3) facilitated gas absorption conditions, and ( 4) Better sustainability. Because of these promising capabilities, we emphasize that a sustainable HBES technology can be realized using the proposed ECP hydrate system. As this study mainly focused on fundamental properties related to structure, thermodynamic conditions, and storage capacity, future work in industrial applications will include the kinetics of formation/dissociation, stability and reusability of ECPs, optimization of conditions, and related areas. Further research including various industrial key points including The inventors further believe that the findings and results of the present invention will be of great interest to researchers in the scientific and engineering fields, and suggest a breakthrough in hydrate-based technology.

실시예 2Example 2

<3,4-에폭시테트라히드로퓨란 (ETHF; epoxytetrahydrofuran), 1,4-에폭시시클로헥산 (14ECH; 1,4-epoxycyclohexane) 및 1,2-에폭시시클로헥산 (12ECH; 1,2-epoxycyclohexane)을 각각 프로모터로서 포함하는 하이드레이트의 합성 및 특성분석><3,4-epoxytetrahydrofuran (ETHF; epoxytetrahydrofuran), 1,4-epoxycyclohexane (14ECH; 1,4-epoxycyclohexane) and 1,2-epoxycyclohexane (12ECH; 1,2-epoxycyclohexane), respectively Synthesis and characterization of hydrate containing as a promoter>

CH4를 상온에서 초기 압력이 60 bar 에서 65 bar사이에 도달할 때까지 용기에 공급 (N2 하이드레이트 샘플들은 N2 80 bar 에서 90 bar 공급하여 제작)한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 실험을 진행하였다.Same as Example 1, except that CH 4 was supplied to the vessel until the initial pressure reached between 60 bar and 65 bar at room temperature (N 2 hydrate samples were produced by supplying N 2 from 80 bar to 90 bar). The experiment was conducted in this way.

결정 구조들을 식별하기 위해, 먼저 싱크로트론 고해상도 분말 회절(HRPD; high-resolution powder diffraction) 및 분말 X-선 회절(PXRD; powder X-ray diffraction)을 사용하였다. 이 결과에 따르면, ETHF, 14ECH, 및 12ECH로 형성된 모든 CH4 하이드레이트들은 각각 17.195 Å, 17.330 Å 및 17.382 Å의 상응하는 격자 파라미터를 갖는 sII(Fd3-m) 하이드레이트인 것으로 확인되었다. 또한 고체-상태 13C NMR 및 라만 스펙트럼을 통해 CH4 분자들이 sII-S 케이지에 수용된다는 것을 명확하게 입증하였다.To identify crystal structures, synchrotron high-resolution powder diffraction (HRPD) and powder X-ray diffraction (PXRD) were first used. According to this result, all CH 4 hydrates formed by ETHF, 14ECH, and 12ECH were confirmed to be sII(Fd3-m) hydrates with corresponding lattice parameters of 17.195 Å, 17.330 Å and 17.382 Å, respectively. In addition, solid-state 13 C NMR and Raman spectra clearly demonstrated that CH 4 molecules are accommodated in the sII-S cage.

ETHF 및 12ECH 하이드레이트들의 경우, HRPD 패턴들은 1.5216 Å의 단일 파장으로 수득되었으며, 5.0° 내지 126.0°의 2θ 범위에서 기록하였다 (스텝 폭 = 0.01° 및 스캔 시간 = 0.7s/scan). For ETHF and 12ECH hydrates, HRPD patterns were obtained with a single wavelength of 1.5216 Å and recorded in the 2θ range from 5.0° to 126.0° (step width = 0.01° and scan time = 0.7s/scan).

14ECH 및 CH 하이드레이트들의 경우, PXRD 패턴들은 파장이 1.54180 Å(Kα1 = 1.54056 Å and Kα2 = 1.54439 Å)이고 출력이 8 kW(40 kV 및 200 mA) 인 Cu 방사선 광원을 사용하는 Rigaku D/MAX-2500 장비로 획득하였으며, 5.0° 내지 55.0°의 2θ 범위에서 기록(스텝 폭 = 0.02° 및 스캔 시간 = 1 초/scan)되었다. 모든 측정 온도는 150 K로 유지하였고 샘플들의 해리는 감지되지 않았다. 결정 구조 및 상응하는 격자 파라미터는 FullProf 및 Checkcell 프로그램을 사용하여 결정되었다.For 14ECH and CH hydrates, the PXRD patterns were obtained by Rigaku D/MAX using a Cu radiation source with a wavelength of 1.54180 Å (Kα 1 = 1.54056 Å and Kα 2 = 1.54439 Å) and an output of 8 kW (40 kV and 200 mA). It was acquired with the -2500 instrument and recorded in the 2θ range from 5.0° to 55.0° (step width = 0.02° and scan time = 1 sec/scan). All measurement temperatures were maintained at 150 K and no dissociation of the samples was detected. Crystal structures and corresponding lattice parameters were determined using FullProf and Checkcell programs.

다음으로, 실시예 1과 같은 방법으로 다음으로, 고체-상태 NMR 및 라만 실험을 모두 수행하여 게스트 구성 요소들의 분자 거동을 모니터링하였다.Next, in the same manner as in Example 1, solid-state NMR and Raman experiments were all performed to monitor the molecular behavior of the guest constituents.

하이드레이트들의 열적 특성들을 조사하기 위해, 시차 주사 열량계(DSC; differential scanning calorimeter) 장비(NETZSCH DSC 200 F3 Maia)를 사용하여 온도에 따른 상변화들을 측정하였다. 액체 질소에 잠긴 채로, 각 샘플의 작은 조각(약 3 mg 내지 5 mg)을 알루미늄 팬에 장착하였다. 그 후, 상기 팬을 173 K로 사전 냉각된 샘플 스테이지에 장착하였다. 173 K 및 대기압에서 등온 시간 10 분 후, 상기 샘플을 3 K/min의 일정한 속도로 천천히 가열하여 298 K에 도달하였다. 전체 측정 기간 동안, 샘플 스테이지는 습기를 방지하기 위해 질소 가스로 퍼지하였다.To investigate the thermal properties of the hydrates, phase changes with temperature were measured using a differential scanning calorimeter (DSC) instrument (NETZSCH DSC 200 F3 Maia). While submerged in liquid nitrogen, a small piece (approximately 3 mg to 5 mg) of each sample was loaded into an aluminum pan. The fan was then mounted on a sample stage pre-cooled to 173 K. After 10 minutes of isothermal time at 173 K and atmospheric pressure, the sample was slowly heated at a constant rate of 3 K/min to reach 298 K. During the entire measurement period, the sample stage was purged with nitrogen gas to prevent moisture.

또한 3 개의 LGM을 포함하는 CH4 (또는 N2) 하이드레이트 시스템의 평형 P-T 조건을 측정하였다. 각 액체 혼합물(총 질량 약 7 g)은 LGM 및 나머지의 물(balanced water)의 화학양론적 조성으로 구성되며, 고압 저항 셀(V ~ 100 ml)에 충진하여, 상온에서 다양한 CH4 또는 N2 압력에서 가압하였다. 샘플들은 260 K(-1K ·h-1의 속도로)까지 지속적으로 냉각되어 고체 하이드레이트 상을 형성하였다. 그리고, 310 K로 더 천천히 가열하였다 (0.3 K ·h-1의 속도로). 전체 히스테리시스 공정 동안 교반 속도는 200 ± 10 RPM으로 유지되었다. 측정의 정확성을 확인하기 위해, 단순한 CH4 및 THF + CH4 하이드레이트의 몇몇 평형점을 추가로 측정하였다. 본 발명자들의 측정이 보고된 값과 매우 잘 일치함을 확인하였다(Adisasmito et al. 1991, 도 11 참조).In addition, the equilibrium PT condition of the CH 4 (or N 2 ) hydrate system containing three LGMs was measured. Each liquid mixture (total mass approximately 7 g) consists of a stoichiometric composition of LGM and the balance of water (balanced water), is filled in a high-pressure resistance cell (V ~ 100 ml), and contains various CH 4 or N 2 at room temperature. Pressurized under pressure. The samples were continuously cooled to 260 K (at a rate of -1K·h −1 ) to form a solid hydrate phase. Then, it was heated more slowly to 310 K (at a rate of 0.3 K·h −1 ). The agitation rate was maintained at 200 ± 10 RPM during the entire hysteresis process. To confirm the accuracy of the measurements, several equilibrium points of simple CH 4 and THF + CH 4 hydrate were further measured. It was confirmed that the present inventors' measurements were in excellent agreement with the reported values (see Adisasmito et al. 1991, Fig. 11).

도 11은, 다양한 프로모터를 포함하는 CH4 하이드레이트의 평형 P-T 조건 (XLGM = 0.0556)을 나타낸 것이다. 프로모션 정도를 명확하게 비교하기 위해, 도 11에서도 CH(중간적으로 강한 프로모터)와 THF(특히 강한 프로모터)를 포함하는 CH4 하이드레이트들의 평형 조건을 함께 나타내었다. 유사한 분자 구조들의 프로모터를 비교하면, ETHF(흑색 빈 사각형)의 프로모션 효과는 THF의 것보다 훨씬 약하다(Lee et al. 2012 및 상기 연구). 반면에 CH + CH4 하이드레이트(Sun et al. 2002)에 비해 12ECH 및 14ECH + CH4 하이드레이트(각각 청색 및 적색 육각)은 더 높은 해리 온도를 나타내었다. 더욱이, 14ECH + CH4 하이드레이트의 열역학적 안정성은 THF + CH4 하이드레이트의 열역학적 안정성과 유사한 것으로 밝혀졌다. THF는 가장 강력한 프로모터 중 하나로 알려져 있기 때문에, 14ECH의 프로모션 효과는 THF만큼 강력하다.Figure 11 shows the equilibrium PT conditions (X LGM = 0.0556) of CH 4 hydrate with various promoters. In order to clearly compare the degree of promotion, FIG. 11 also shows the equilibrium conditions of CH 4 hydrates including CH (moderately strong promoter) and THF (particularly strong promoter). Comparing promoters of similar molecular structures, the promotional effect of ETHF (black open square) is much weaker than that of THF (Lee et al. 2012 and the same study). On the other hand, 12ECH and 14ECH + CH 4 hydrates (blue and red hexagons, respectively) exhibited higher dissociation temperatures compared to CH + CH 4 hydrates (Sun et al. 2002). Moreover, the thermodynamic stability of 14ECH + CH 4 hydrate was found to be similar to that of THF + CH 4 hydrate. Since THF is known as one of the strongest promoters, the promotional effect of 14ECH is as strong as that of THF.

5 개 분자 ETHF, 14ECH, 12ECH, THF 및 CH의 기하학적 구조 및 중심 간 거리(center-to-center distances)가 도 12에 설명되어있다. 도 12는, (a) ETHF, (b) 14ECH, (c) 12ECH, (d) THF 및 (e) CH의 최적화된 기하학 구조를 나타낸 것이며, 각 타입의 원자 사이의 가장 긴 중심 간 거리는 옹스트롬(angstroms) 단위로서 제공된다. 상기 분자의 기하학적 구조들은 Gaussian 03 프로그램을 사용하여 (Frisch et al. 2004) 6-31G++ (d, p)/B3LYP 계산을 통해 최적화되었다. THF의 크기는 보고된 값과 잘 일치하였다 (Takeya et al. 2018). COC 결합에는 에폭사이드 고리와 5-원 고리의 두 가지 타입이 있다. 에폭시사이드 고리에서, ETHF 및 12ECH는 모두 1.44 Å의 유사한 CO 결합 길이와 61.5°의 COC 결합 각도를 나타내었다. 그러나, ETHF 및 14ECH의 5 원 고리는 다소 상이한 기하학 구조를 나타내었다. ETHF의 CO 결합 길이와 COC 결합 각도는 각각 1.43 Å 및 110°로서, THF의 것과 거의 동일하다. 그러나, 14ECH의 COC 결합 각도는 96.6°로 밝혀졌으며, 이로 인해 ETHF (2.35 Å)의 것에 비해 다소 작은 2.16 Å의 C···C 거리를 나타낸다. 결과적으로, 14ECH의 6-원 고리는 12ECH의 고리보다 더 왜곡되고 약간 작다. ETHF, 14ECH 및 12ECH의 크기가 THF 및 CH의 크기와 유사하다는 점을 고려할 때, 3 개의 LGMs이 sII 하이드레이트들을 형성할 것으로 예상할 수 있다.The geometries and center-to-center distances of the five molecules ETHF, 14ECH, 12ECH, THF and CH are illustrated in FIG. 12 . 12 shows the optimized geometries of (a) ETHF, (b) 14ECH, (c) 12ECH, (d) THF and (e) CH, and the longest center-to-centre distance between atoms of each type is Angstroms ( angstroms). The molecular geometries were optimized through 6-31G++ (d, p)/B3LYP calculations using the Gaussian 03 program (Frisch et al. 2004). The magnitude of THF was in good agreement with the reported values (Takeya et al. 2018). There are two types of COC bonds: epoxide rings and 5-membered rings. In the epoxide ring, ETHF and 12ECH both exhibited similar CO bond lengths of 1.44 Å and CO bond angles of 61.5°. However, the five-membered rings of ETHF and 14ECH exhibited somewhat different geometries. The CO bond length and COC bond angle of ETHF are 1.43 Å and 110°, respectively, almost identical to those of THF. However, the COC bond angle of 14ECH was found to be 96.6°, resulting in a slightly smaller C...C distance of 2.16 Å compared to that of ETHF (2.35 Å). As a result, the 6-membered ring of 14ECH is more distorted and slightly smaller than that of 12ECH. Considering that the sizes of ETHF, 14ECH and 12ECH are similar to those of THF and CH, it can be expected that the three LGMs form sII hydrates.

표 5은, 도 12에 표시된 CH + CH4 하이드레이트의 밀러 지수를 나타낸 것이다.Table 5 shows the Miller indices of the CH + CH 4 hydrates shown in FIG. 12 .

peakspeaks h k lh k l dd hklhkl 8.76 8.76 111111 10.092 10.092 14.33 14.33 202202 6.180 6.180 16.82 16.82 311311 5.270 5.270 17.58 17.58 222222 5.046 5.046 20.32 20.32 004004 4.370 4.370 22.17 22.17 313313 4.010 4.010 24.96 24.96 224224 3.568 3.568 26.50 26.50 333333 3.364 3.364 28.89 28.89 404404 3.090 3.090 30.25 30.25 513513 2.955 2.955 30.69 30.69 424424 2.913 2.913 32.39 32.39 602602 2.764 2.764 33.62 33.62 335335 2.666 2.666 34.02 34.02 622622 2.635 2.635 35.58 35.58 444444 2.523 2.523 36.72 36.72 515515 2.448 2.448 38.54 38.54 426426 2.336 2.336 39.60 39.60 355355 2.276 2.276 41.32 41.32 008008 2.185 2.185 42.32 42.32 337337 2.136 2.136 42.65 42.65 644644 2.120 2.120 43.95 43.95 228228 2.060 2.060 44.91 44.91 555555 2.018 2.018 45.22 45.22 626626 2.005 2.005 46.46 46.46 048048 1.954 1.954 47.38 47.38 357357 1.919 1.919 47.68 47.68 248248 1.907 1.907 49.76 49.76 913913 1.832 1.832 52.06 52.06 755755 1.757 1.757 54.28 54.28 737737 1.690 1.690 54.56 54.56 666666 1.682 1.682

도 13은, (a) ETHF, (b) 14ECH, 및 (c) 12ECH + CH4 하이드레이트의 HRPD 및 PXRD 패턴을 나타낸 것이며, 표 6에 ETHF, 14ECH, 및 12ECH로 형성된 CH4 하이드레이트의 상응하는 Miller 지수를 나타내었다. ETHF, 14ECH, 및 12ECH + CH4 하이드레이트의 구조는 격자 파라미터가 각각 17.195 Å, 17.330 Å 및 17.382 Å인 sII(Fd-3m) 타입으로 명확하게 확인되었다. 이러한 격자 파라미터는 5083.8 Å3, 5204.7 Å3 및 5251.89 Å3의 단위 셀 부피에 상응한다. LGM 제외로 인한 육각 얼음(Ih) 또는 CH4 하이드레이트(sI)의 양은 미미하거나 무시할 수 있는 수준이었다. 또한 CH + CH4 하이드레이트의 분말 회절 패턴을 측정하고 a = 17.480 Å의 격자 파라미터를 수득하였다. THF + CH4 하이드레이트의 격자 파라미터는 이전에 a = 17.224 Å로서 보고되었다 (Lee et al. 2012). 따라서, 단위 셀 크기는 ETHF <THF <14ECH <12ECH <CH + CH4 하이드레이트의 순서이다. 따라서, > CH-O-CH < 그룹의 유효 반데르발스 부피가 -CH2-CH2- 그룹의 것보다 약간 작다는 결론을 내릴 수 있다.13 shows the HRPD and PXRD patterns of (a) ETHF, (b) 14ECH, and (c) 12ECH + CH 4 hydrates, and Table 6 shows the corresponding Miller index was shown. The structures of ETHF, 14ECH, and 12ECH + CH 4 hydrates were clearly identified as sII(Fd-3m) type with lattice parameters of 17.195 Å, 17.330 Å and 17.382 Å, respectively. These lattice parameters correspond to unit cell volumes of 5083.8 Å 3 , 5204.7 Å 3 and 5251.89 Å 3 . The amount of hexagonal ice (Ih) or CH 4 hydrate (sI) due to LGM exclusion was minimal or negligible. Also the powder diffraction pattern of CH + CH 4 hydrate was measured and a lattice parameter of a = 17.480 Å was obtained. The lattice parameter of THF + CH 4 hydrate was previously reported as a = 17.224 Å (Lee et al. 2012). Thus, the unit cell size is in the order of ETHF < THF < 14ECH < 12ECH < CH + CH 4 hydrate. Thus, it can be concluded that the effective van der Waals volume of the group > CH-O-CH < is slightly smaller than that of the -CH 2 -CH 2 - group.

표 6은, 도 13에 표시된 세 가지 하이드레이트의 밀러 지수를 나타낸 것이다.Table 6 shows the Miller indices of the three hydrates shown in FIG. 13.

ETHF + CH4 ETHF + CH 4 14ECH + CH4 14 ECH + CH 4 12ECH + CH4 12 ECH + CH 4 피크peak h k lh k l dd hklhkl 피크peak h k lh k l dd hklhkl 피크peak h k lh k l dd hklhkl 8.79 8.79 111111 9.928 9.928 8.84 8.84 111111 10.006 10.006 8.6968.696 111111 10.035510.0355 14.38 14.38 202202 6.079 6.079 14.46 14.46 202202 6.127 6.127 14.22314.223 202202 6.14556.1455 17.63 17.63 222222 4.964 4.964 16.97 16.97 311311 5.225 5.225 16.69416.694 113113 5.24095.2409 20.39 20.39 400400 4.299 4.299 17.73 17.73 222222 5.003 5.003 17.44217.442 222222 5.01775.0177 22.24 22.24 133133 3.945 3.945 20.50 20.50 400400 4.333 4.333 20.16620.166 400400 4.34554.3455 25.04 25.04 422422 3.510 3.510 22.36 22.36 313313 3.976 3.976 21.99721.997 133133 3.98773.9877 26.58 26.58 333333 3.309 3.309 25.17 25.17 422422 3.538 3.538 24.76424.764 422422 3.54813.5481 28.99 28.99 404404 3.040 3.040 26.73 26.73 333333 3.335 3.335 26.29226.292 333333 3.34523.3452 30.35 30.35 513513 2.907 2.907 29.15 29.15 404404 3.064 3.064 28.67128.671 404404 3.07273.0727 30.79 30.79 424424 2.866 2.866 30.52 30.52 513513 2.929 2.929 30.01530.015 513513 2.93812.9381 32.50 32.50 602602 2.719 2.719 30.96 30.96 424424 2.888 2.888 30.45130.451 424424 2.8972.897 33.73 33.73 335335 2.622 2.622 32.68 32.68 602602 2.740 2.740 32.14132.141 206206 2.74832.7483 34.13 34.13 226226 2.592 2.592 33.92 33.92 335335 2.643 2.643 33.35933.359 533533 2.65072.6507 35.70 35.70 444444 2.482 2.482 34.32 34.32 622622 2.613 2.613 35.30535.305 444444 2.50892.5089 36.84 36.84 515515 2.408 2.408 35.90 35.90 444444 2.501 2.501 36.42936.429 515515 2.4342.434 39.74 39.74 355355 2.239 2.239 37.05 37.05 515515 2.427 2.427 38.23938.239 426426 2.32282.3228 41.46 41.46 800800 2.149 2.149 38.89 38.89 426426 2.316 2.316 39.29139.291 355355 2.26292.2629 42.47 42.47 337337 2.101 2.101 39.96 39.96 355355 2.256 2.256 40.99440.994 800800 2.17272.1727 44.10 44.10 822822 2.026 2.026 41.69 41.69 800800 2.166 2.166 41.98841.988 733733 2.12352.1235 45.06 45.06 555555 1.986 1.986 42.71 42.71 337337 2.117 2.117 42.31542.315 446446 2.10792.1079 46.63 46.63 408408 1.923 1.923 43.04 43.04 644644 2.102 2.102 43.60343.603 822822 2.04852.0485 47.54 47.54 537537 1.887 1.887 44.35 44.35 822822 2.042 2.042 44.5544.55 555555 2.00712.0071 47.85 47.85 248248 1.876 1.876 45.32 45.32 555555 2.001 2.001 44.86244.862 266266 1.99381.9938 52.24 52.24 755755 1.728 1.728 45.64 45.64 626626 1.988 1.988 46.09446.094 408408 1.94341.9434 54.48 54.48 737737 1.662 1.662 46.89 46.89 408408 1.938 1.938 47.00147.001 537537 1.90791.9079 54.5 54.5 6666 1.655 1.655 47.82 47.82 537537 1.902 1.902 47.30147.301 248248 1.89651.8965 48.12 48.12 824824 1.891 1.891 48.48448.484 646646 1.85291.8529 49.33 49.33 646646 1.847 1.847 51.63451.634 755755 1.7471.747 50.22 50.22 913913 1.817 1.817 53.84153.841 737737 1.68041.6804 51.68 51.68 844844 1.769 1.769 54.11254.112 666666 1.67261.6726 52.54 52.54 755755 1.742 1.742 53.96 53.96 268268 1.699 1.699 54.79 54.79 737737 1.675 1.675

상기 구조를 교차 확인하고 CH4 게스트 분자를 모니터링하기 위해 고체-상태 13C NMR 및 라만 분광기가 사용되었다. Solid-state 13 C NMR and Raman spectroscopy were used to cross-check the structure and monitor CH 4 guest molecules.

도 14는, 본원의 일 구현예에 있어서, ETHF, 14ECH 및 12ECH + CH4 하이드레이트의 (a) 고체-상태 13C NMR 및 (b) 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 14a에서 볼 수 있듯이, 작은 (512) 케이지에 포획된 CH4 분자에 상응하는, 모든 CH4 하이드레이트에 대해 δ = -4.5 ppm 내지 -4.8 ppm에서 단일의 명확한 피크가 검출되었다. 업 필드 영역에서 ETHF 및 14ECH + CH4 하이드레이트들에 대한 어떠한 상이한 피크도 검출되지 않았다. 12ECH + CH4에 대해 각각 sI-S, sI-L 및 sII-L 케이지 (Yeon et al. 2006)에 포집된 CH4 분자의 전형적인 -4.3 ppm, -6.7 ppm 및 -8.3 ppm에서의 추가적인 신호들이 관찰되었음에도 불구하고, 이러한 피크들은 -4.8 ppm 근처의 주요 피크에 비해 매우 작다. 14 shows (a) solid-state 13 C NMR and (b) Raman spectra of ETHF, 14ECH and 12ECH + CH 4 hydrate according to one embodiment of the present application. As can be seen in Figure 14a, a single clear peak was detected at δ = -4.5 ppm to -4.8 ppm for all CH 4 hydrates, corresponding to CH 4 molecules trapped in small (5 12 ) cages. No different peaks were detected for ETHF and 14ECH + CH 4 hydrates in the upfield region. Additional signals at -4.3 ppm, -6.7 ppm and -8.3 ppm typical of CH 4 molecules trapped in sI-S, sI-L and sII-L cages (Yeon et al. 2006), respectively, for 12ECH + CH 4 Although observed, these peaks are very small compared to the main peak around -4.8 ppm.

도 14b의 라만 스펙트럼을 통해 동일한 해석을 할 수 있다: 작은 케이지에 있는 CH4 분자를 나타내는 2911 cm-1 근처의 C-H 신축 진동 밴드는 모든 샘플들에서 명확하게 관찰된 반면, ECH + CH4 하이드레이트에 대해서만 2902 cm-1 (sI-L 또는 sII-L) 근처에서 약한 신호가 추가적으로 감지되었다. HRPD, 13C NMR 및 Raman 조사의 결과를 요약하면, 모든 LGMs은 CH4와 함께 "더블" sII 하이드레이트를 용이하게 형성할 수 있으며, 이 중 큰 케이지 및 작은 케이지는 주로 LGM 및 CH4 분자가 각각 차지한다. 또한, -4.47 ppm (ETHF), -4.72 ppm (ECH) 및 -4.80 ppm (ECH)에서 발견된 13C NMR 피크는, 포집하는 케이지의 타입이 동일하더라도 (sII-S), 더 큰 케이지 내의 CH4 분자는 더 차폐된 화학적 이동을 나타낸다. 이것은 큰 차이는 아니다: 그러나, 정확한 결정학적 분석없이 NMR 피크를 비교함으로써 어떤 하이드레이트가 더 큰 격자 파라미터를 갖는지 대략적으로 추정할 수 있을 정도로 그 경향성이 명확하다.The same interpretation can be made through the Raman spectrum of FIG. 14b: the CH stretching vibration band near 2911 cm −1 representing CH 4 molecules in small cages was clearly observed in all samples, whereas in ECH + CH 4 hydrate A weak signal was additionally detected near 2902 cm -1 (sI-L or sII-L) only for Summarizing the results of HRPD, 13 C NMR and Raman investigations, all LGMs can easily form “double” sII hydrates with CH 4 , of which the large and small cages mainly contain LGM and CH 4 molecules, respectively. occupy In addition, the 13 C NMR peaks found at -4.47 ppm (ETHF), -4.72 ppm (ECH) and -4.80 ppm (ECH), even though the type of trapping cage is the same (sII-S), the CH in the larger cage 4 molecules show more masked chemical shifts. This is not a huge difference: however, the trend is clear enough that one can roughly estimate which hydrate has the larger lattice parameter by comparing NMR peaks without precise crystallographic analysis.

다음으로, 액체상의 일정한 몰 분율(XLGM = 0.0556)에서 3 개의 CH4 하이드레이트 시스템의 평형 P-T 조건을 측정하고 그 결과를 표 1에 나열하였다. 각 LGM을 도입함으로써, CH4 하이드레이트의 열역학적 영역이 현저하게 더 높은 온도와 더 낮은 압력 수준으로 확장된다. 주어진 압력에서, 단순 CH4 하이드레이트(Adisasmito et al. 1991 및 상기 연구)의 해리 온도는 ETHF, 12ECH 및 14ECH의 첨가로 인해 각각 약 9 K, 12 K 및 18 K 증가하였다. 특히, 14ECH + CH4 하이드레이트는 약 60 bar의 적당한 압력에서도, 상온(298 K)까지 해리되지 않았다. Next, equilibrium PT conditions of three CH 4 hydrate systems at a constant mole fraction of the liquid phase (X LGM = 0.0556) were measured and the results are listed in Table 1. By introducing each LGM, the thermodynamic regime of CH 4 hydrate is extended to significantly higher temperature and lower pressure levels. At a given pressure, the dissociation temperature of simple CH 4 hydrate (Adisasmito et al. 1991 and supra) increased by about 9 K, 12 K and 18 K due to the addition of ETHF, 12ECH and 14ECH, respectively. In particular, 14ECH + CH 4 hydrate did not dissociate even at a moderate pressure of about 60 bar, up to room temperature (298 K).

또한 3 개의 LGM + N2 하이드레이트들의 평형 조건을 조사하고 그 결과를 표 7에 나열하였다. LGMs의 첨가는 단순 N2 하이드레이트(van Cleeff and Diepen 1960)의 해리 조건을 더 높은 온도와 더 낮은 압력 수준으로 현저하게 향상시켰다. 모든 프로모터들은 촉진 정도에서 CH4 하이드레이트 시스템과 동일한 경향이 있다(도 15). 도 15는, 다양한 프로모터들을 포함하는 N2 하이드레이트의 평형 P-T 조건 (XLGM = 0.0556)을 나타낸 것이다.In addition, the equilibrium conditions of three LGM + N 2 hydrates were investigated and the results are listed in Table 7. The addition of LGMs markedly improved the dissociation conditions of simple N 2 hydrate (van Cleeff and Diepen 1960) at higher temperatures and lower pressure levels. All promoters tend to be identical to the CH 4 hydrate system in their degree of promotion (FIG. 15). 15 shows equilibrium PT conditions (X LGM = 0.0556) of N 2 hydrate with various promoters.

표 7는, 세 가지 프로모터들을 포함하는 CH4 하이드레이트의 평형 P-T 조건을 나타낸 것이다.Table 7 shows the equilibrium PT conditions of CH 4 hydrate containing three promoters.

ETHFETHF 14ECH14ECH 12ECH12ECH T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) 282.0282.0 20.320.3 292.1292.1 23.523.5 284.2284.2 19.119.1 286.2286.2 37.137.1 295.6295.6 40.940.9 289.1289.1 39.439.4 289.7289.7 62.762.7 298.8298.8 63.563.5 292.4292.4 60.960.9 291.7291.7 80.580.5 300.6300.6 82.482.4 295.1295.1 85.085.0

표 8은, 세 가지 프로모터들을 포함하는 N2 하이드레이트의 평형 P-T 조건을 나타낸 것이다.Table 8 shows the equilibrium PT conditions of N 2 hydrate containing three promoters.

ETHFETHF 14ECH14ECH 12ECH12ECH T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) T (K)T(K) P (bar)P (bar) 279.3279.3 68.668.6 278.4278.4 30.830.8 279.2279.2 49.349.3 281.2281.2 90.290.2 286.9286.9 56.256.2 281.5281.5 69.369.3 282.7282.7 110.1110.1 289.5289.5 80.280.2 283.0283.0 84.184.1 291.2291.2 102.4102.4 284.5284.5 106.5106.5

CH + N2 및 THF + N2 하이드레이트의 평형 P-T 자료는 Richon and Mohammadi (2011) 및 Seo et al. (2001) 를 참조하였다. 고체 하이드레이트 상태에 N2가 포집되어 있는지 확인하기 위해, 본 발명자들은 라만 분광법을 사용하였다. Equilibrium PT data for CH + N 2 and THF + N 2 hydrates are from Richon and Mohammadi (2011) and Seo et al. (2001). In order to confirm whether N 2 is trapped in the solid hydrate state, the present inventors used Raman spectroscopy.

도 16에서, 2324 cm-1 근처의 피크는 모든 LGM + N2 하이드레이트들이 명확하게 형성되었음을 나타낸다. 따라서, 세 가지 신규 LGMs이 기체 분자의 구형 및 원통형 타입 모두의 기체 하이드레이트들에 대한 프로모터 역할을 한다고 결론을 내릴 수 있다. 도 16은, 123 K에서 측정된 LGM + N2 하이드레이트의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.In FIG. 16, the peak near 2324 cm −1 indicates that all LGM + N 2 hydrates were clearly formed. Thus, it can be concluded that the three novel LGMs serve as promoters for gas hydrates of both spherical and cylindrical types of gas molecules. 16 shows a Raman spectrum of LGM+N 2 hydrate measured at 123 K.

14ECH의 강력한 프로모션을 이해하기 위한 단서를 찾기 위해, H2O와 LGMs으로만 구성된 샘플들을 조사하였다. LGM + H2O의 각 액체 혼합물은 계속적인 교반 하에 상온으로부터 천천히 냉각하여 충분히 균질한 고체 샘플을 준비하였다. 결정학적 분석에 따르면, ETHF + H2O 및 12ECH + H2O의 고체 샘플들에서 어떠한 하이드레이트 상태도 관찰되지 않았다. 반면에, PXRD 패턴(도 17 및 표 9)을 통해, 14ECH + H2O가 추가적인 기체 성분들이 없는 경우에도 단순 sII 하이드레이트를 형성함을 명확히 입증하였다. 격자 파라미터는 14ECH + CH4 하이드레이트의 것과 거의 동일한, 150K에서 17.333 Å으로 결정되었다. sII-S 케이지에 CH4 분자를 포집하는 것은 격자 크기에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 도 17은, 150 K에서 14ECH + H2O 하이드레이트(가스 없음)의 PXRD 패턴을 나타낸 것이다.To find clues to understand the strong promotion of 14ECH, samples consisting only of H 2 O and LGMs were investigated. Each liquid mixture of LGM + H 2 O was cooled slowly from room temperature under continuous stirring to prepare sufficiently homogeneous solid samples. According to crystallographic analysis, no hydrate state was observed in the solid samples of ETHF + H 2 O and 12ECH + H 2 O. On the other hand, through PXRD patterns (FIG. 17 and Table 9), it was clearly demonstrated that 14ECH + H 2 O forms simple sII hydrate even in the absence of additional gaseous components. The lattice parameter was determined to be 17.333 Å at 150 K, almost identical to that of 14ECH + CH 4 hydrate. Trapping CH molecules in the sII-S cages appears to have little effect on the lattice size. 17 shows the PXRD pattern of 14ECH + H 2 O hydrate (no gas) at 150 K.

표 9는, 도 17에 표시된 단순한 14ECH 하이드레이트의 밀러 지수를 나타낸 것이다.Table 9 shows the Miller index of the simple 14ECH hydrate shown in FIG. 17 .

peakspeaks h k lh k l dd hklhkl 8.84 8.84 111111 10.007 10.007 14.45 14.45 202202 6.128 6.128 16.97 16.97 311311 5.226 5.226 17.73 17.73 222222 5.004 5.004 20.50 20.50 004004 4.333 4.333 22.36 22.36 133133 3.977 3.977 25.17 25.17 422422 3.538 3.538 26.72 26.72 333333 3.336 3.336 29.14 29.14 404404 3.064 3.064 30.51 30.51 315315 2.930 2.930 30.95 30.95 424424 2.889 2.889 32.67 32.67 602602 2.741 2.741 33.91 33.91 335335 2.643 2.643 35.89 35.89 444444 2.502 2.502 37.04 37.04 515515 2.427 2.427 38.88 38.88 426426 2.316 2.316 39.95 39.95 355355 2.257 2.257 41.69 41.69 008008 2.167 2.167 42.70 42.70 337337 2.118 2.118 43.03 43.03 644644 2.102 2.102 44.34 44.34 822822 2.043 2.043 45.31 45.31 555555 2.001 2.001 46.88 46.88 048048 1.938 1.938 47.81 47.81 357357 1.903 1.903 49.32 49.32 466466 1.848 1.848 50.21 50.21 913913 1.817 1.817 51.67 51.67 844844 1.769 1.769 52.53 52.53 557557 1.742 1.742

sII 상에 관련된 14ECH 분자를 명확하게 모니터링하기 위해, 13C NMR 및 Raman 스펙트럼을 자세히 분석하였다. 14ECH 분자들의 13C NMR 피크는 도 18a에 나타내었다. 도 18은, 14ECH 분자의 (a) 13C NMR 피크 및 (b) COC 진동 밴드를 나타낸 것이다. 14ECH + CH4 하이드레이트 (청색)의 경우, 14ECH의 알파 탄소가 75.3 ppm 및 75.9 ppm에서 두 개의 개별 피크를 나타냄이 명확하게 발견되었다. 75.9 ppm의 미세한 피크는 본 발명자들이 화학양론적 조성 에 비해 약간 과량(약 ~5%)의 14ECH를 도입했기 때문에, 하이드레이트상에서 제외된 14ECH에 기인한 것이다. 결과적으로, 14ECH의 단순 하이드레이트에서도 관찰되는 75.3 ppm의 주요 피크는, sII-L 케이지에 포집된 14ECH 분자에서 비롯된 것임을 알 수 있다. 또한 14ECH 분자의 진동 대역에 초점을 맞춰, 라만 스펙트럼을 자세히 조사하였다. 도 18b에서, 850 cm-1 내지 1000 cm-1 근처의 몇 개의 피크들은 COC 그룹의 대칭 스트레칭 진동 때문이다(Socrates 2001). 그러나, 단순 14ECH(적색)의 밴드와 비교하기 위해, sII 상에 포함된 14ECH의 밴드는 더 높은 파수에서 명확하게 나타났다. 자유 14ECH 분자가 sII-L 케이지에 갇히면, COC 결합이 약간 수축하여 진동의 힘 상수를 증가시킨다. 또한 짧아진 결합 길이는 알파 탄소 주변의 전자 밀도를 증가시켜 더 많은 차폐 상태를 제공한다. 지금까지 대부분의 연구자들은 기체 상태의 게스트 구성 요소를 모니터링하는 데에만 분광학적 접근법을 사용하였다. 그러나, 본 연구의 결과는 NMR 및 라만 스펙트럼이 LGMs의 거동을 결정할 때 유용하다는 것을 또한 설득력있게 입증하였다.To clearly monitor the 14ECH molecules involved in the sII phase, 13 C NMR and Raman spectra were analyzed in detail. The 13 C NMR peaks of 14ECH molecules are shown in FIG. 18A. 18 shows (a) 13 C NMR peak and (b) COC vibrational band of 14ECH molecule. For 14ECH + CH 4 hydrate (blue), it was clearly found that the alpha carbon of 14ECH exhibited two separate peaks at 75.3 ppm and 75.9 ppm. The fine peak at 75.9 ppm is due to the 14ECH being excluded from the hydrate phase, since we introduced a slight excess (~5%) of 14ECH relative to the stoichiometric composition. As a result, it can be seen that the main peak at 75.3 ppm, which is also observed in the simple hydrate of 14ECH, originates from the 14ECH molecules trapped in the sII-L cage. In addition, the Raman spectrum was investigated in detail, focusing on the vibrational band of the 14ECH molecule. In Fig. 18b, several peaks around 850 cm -1 to 1000 cm -1 are due to symmetric stretching vibrations of the COC group (Socrates 2001). However, compared to the band of simple 14ECH (red), the band of 14ECH included in the sII phase appeared clearly at higher wavenumbers. When a free 14ECH molecule is trapped in the sII-L cage, the COC bond contracts slightly, increasing the force constant of the vibration. Shorter bond lengths also increase the electron density around the alpha carbon, providing more shielding states. Until now, most researchers have used spectroscopic approaches only to monitor gaseous guest components. However, the results of this study also convincingly demonstrated that NMR and Raman spectra are useful in determining the behavior of LGMs.

또한, 주요 상전이가 발생하는 14ECH 하이드레이트 시스템의 온도는 시차 주사 열량계(DSC; differential scanning calorimeter) 측정으로 식별되었다. In addition, the temperature of the 14ECH hydrate system where the major phase transition occurs was identified by differential scanning calorimeter (DSC) measurements.

도 19는, 상압에서 온도에 의해 유도된 몇 가지 주요 상전이를 나타낸 것이다. 도 19a는, 4 개의 포인트 ①~④는 상응하는 273 K, 270 K, 277 K 및 285 K를 나타낸 것이며, 14ECP + 공기 하이드레이트(불순물)에 기인할 수 있는 작은 피크는 별표(*)로 표시된다 명확성을 위해, y 축은 동일한 스케일로 표시된다. mW·mg-1 단위로 측정된 근본적인 열 흐름은 H2O의 몰(흑색, 청색 및 적색)로 정규화되었다. 단순 14ECH의 경우, 열 흐름은 14ECH(마젠타)의 몰로 정규화되었다.19 shows several major phase transitions induced by temperature at atmospheric pressure. 19a, four points ① to ④ show the corresponding 273 K, 270 K, 277 K and 285 K, and small peaks that can be attributed to 14ECP + air hydrate (impurity) are marked with asterisks (*) For clarity, the y axis is shown on the same scale. The fundamental heat flow measured in mW·mg −1 was normalized to moles of H 2 O (black, blue and red). For simple 14ECH, the heat flow was normalized to moles of 14ECH (magenta).

도 19a에서 볼 수 있듯이, 단순 14ECH 하이드레이트는 270 K에서 해리되기 시작하고 278 K에서 완전히 해리된다. 14ECH + CH4 하이드레이트 샘플들의 경우, 주로 두 가지 상전이가 관찰되었다. (1) 기체 CH4와 반응하지 않은 소량의 14ECH 단순 하이드레이트의 해리 (포인트 ②); 및 (2) 가스 방출에 의해 유도된 14ECH + CH4 하이드레이트의 해리 (포인트 ③). 결국, 14ECH + CH4 하이드레이트는 약 285 K에서 완전히 붕괴된다 (포인트 ④). 한편, 단순 14ECH의 온도-유도된 패턴은 꽤 복잡하여 본 발명자들이 현재 단계에서 상응하는 상 전이를 결정할 수 없다. 그러나, 단순 14ECH에 의해 유도된 상전이는 14ECH + CH4 하이드레이트나 14ECH 단순 하이드레이트 모두에서 관찰되지 않았다. 이는 단순 하이드레이트와 CH4 하이드레이트 모두에서 14ECH 분자의 완전한 포집에 대한 또 다른 명확한 증거를 제공한다. 또한, 단순 14ECH 하이드레이트가 270 K 내지 278 K 범위에서 해리되는 반면, 14ECH + CH4 하이드레이트가 상압에서 277 K 내지 285 K 범위에서 해리된다는 결론을 내릴 수 있다. As can be seen in Figure 19a, simple 14ECH hydrate begins to dissociate at 270 K and completely dissociates at 278 K. For the 14ECH + CH 4 hydrate samples, mainly two phase transitions were observed. (1) Dissociation of a small amount of 14ECH simple hydrate that did not react with gaseous CH 4 (point ②); and (2) dissociation of 14ECH + CH 4 hydrate induced by outgassing (point ③). Eventually, 14ECH + CH 4 hydrate completely decays at about 285 K (point ④). On the other hand, the temperature-induced pattern of simple 14ECH is quite complex and we cannot determine the corresponding phase transition at the present stage. However, the phase transition induced by simple 14ECH was not observed in either 14ECH + CH 4 hydrate or 14ECH simple hydrate. This provides another clear evidence for the complete entrapment of 14ECH molecules in both simple hydrates and CH 4 hydrates. In addition, it can be concluded that simple 14ECH hydrate dissociates in the range of 270 K to 278 K, whereas 14ECH + CH 4 hydrate dissociates in the range of 277 K to 285 K at atmospheric pressure.

도 19b는, 상전이가 발생하기 시작하는 5 개의 포인트 ①~⑤은 상응하는 273 K, 255 K, 271 K, 277 K 및 263 K를 나타낸 것이다. 열 흐름은 H2O의 몰로 정규화되었다. 도 19b에서, 기체 하이드레이트 해리의 시작 및 마무리 온도는 ETHF + CH4 < 12ECH + CH4 < 14ECH + CH4의 순서이다. 이것은 상기 도 11에 표시된 위상 평형의 결과와 완전히 일치한다.19B shows the corresponding 273 K, 255 K, 271 K, 277 K, and 263 K for the five points ① to ⑤ at which the phase transition begins to occur. Heat flow was normalized to moles of H 2 O. In FIG. 19B, the start and finish temperatures of gas hydrate dissociation are in the order of ETHF + CH 4 < 12ECH + CH 4 < 14ECH + CH 4 . This is completely consistent with the results of phase equilibrium shown in Fig. 11 above.

지금까지, 본 발명자들은 14ECH가 단순 sII 형성자 역할을 하며 뛰어난 프로모션 효과에 중요한 역할을 하는 것으로 보인다는 것을 입증하였다. 수십년 동안 제안된 수많은 LGMs 중에서, CFCs를 제외하고는 단순 하이드레이트 형성자는 매우 드물다. 또한, 반데르발스 직경이 6.95 Å(Udachin et al. 2002)인 테트라히드로피란(THP)이 가장 큰 단순한 sII 형성자로 기록되었다. 그러나, 본 발명자들의 계산에 따르면, 가장 긴 종단 간 거리가 7.10 Å인 14ECH는 THP보다 크다 [반데르발스 반경은 도 1에 포함되어 있지 않기 때문에, 종단 간 거리를 수득하려면 각각 H 및 O 원자에 1.09 Å 및 1.56 Å을 추가해야한다 (Rowland 및 Taylor, 1996)]. 이것은 또한 14ECH + H2O 하이드레이트의 격자 파라미터가 THP + H2O 하이드레이트 (153K에서 a = 17.289 Å)보다 다소 크다는 사실에 의해 뒷받침된다 (Takeya et al. 2018) 따라서, 본 발명자들은 이것이 THP보다 큰 단순 sII 형성자의 첫 번째 발견이라고 여긴다.So far, we have demonstrated that 14ECH acts as a simple sII former and appears to play an important role in its outstanding promotional effect. Among the numerous LGMs proposed over the decades, simple hydrate formers are very rare, except for CFCs. Additionally, tetrahydropyran (THP) with a van der Waals diameter of 6.95 Å (Udachin et al. 2002) has been recorded as the largest simple sII former. However, according to our calculations, 14ECH with the longest end-to-end distance of 7.10 Å is larger than THP [since van der Waals radii are not included in Fig. 1.09 Å and 1.56 Å should be added (Rowland and Taylor, 1996)]. This is also supported by the fact that the lattice parameter of 14ECH + H 2 O hydrate is somewhat larger than that of THP + H 2 O hydrate (a = 17.289 Å at 153 K) (Takeya et al. 2018). It is considered the first discovery of a simple sII former.

또한, 14ECH를 첨가함으로써 현저히 높은 온도에서 CH4 흡수가 빠르게 일어난다는 점에 주목하였다. 도 20은 14ECH + CH4 하이드레이트의 형성 및 해리 과정에 의해 측정된 P-T 궤적을 나타낸 것이다. 도 20에서, ① 가스 주입이 완료되면, 용기 내부 온도가 단열 압축에 의해 20℃로 증가하였다. ② 10 분 이내에, 상기 용기가 상온(17.5℃)으로 회복되었고 동시에 CH4 흡수가 시작되었다. ③ 40 분 후, 상기 용기를 에탄올 수조에 침지하였다. ④ 상기 용기는 -20 K/hr의 속도로 냉각하였다. ⑤ 상기 용기를 + 0.3 K/hr의 속도로 가열하였다. ⑥ 하이드레이트는 25.7℃ 및 63.5 bar에서 완전히 해리하였다.It was also noted that addition of 14ECH resulted in rapid CH 4 absorption at significantly higher temperatures. 20 shows the PT traces measured by the formation and dissociation process of 14ECH + CH 4 hydrate. In FIG. 20, (1) When the gas injection was completed, the temperature inside the container increased to 20°C due to adiabatic compression. ② Within 10 minutes, the vessel was returned to normal temperature (17.5° C.) and CH 4 absorption started at the same time. ③ After 40 minutes, the container was immersed in an ethanol bath. ④ The vessel was cooled at a rate of -20 K/hr. ⑤ The vessel was heated at a rate of +0.3 K/hr. ⑥ Hydrate was completely dissociated at 25.7 ℃ and 63.5 bar.

도 20에서, 압력이 상온에서 급격히 떨어지기 시작하여 하이드레이트 상을 형성하는 것이 명확히 관찰되었다. 가스 흡수의 높은 온도는 또한 단순 하이드레이트를 안정화시키는 14ECH의 능력에 기인할 수 있다. LGM + H2O의 혼합물이 원하는 기체로 가압될 때, 이론적으로 상기 하이드레이트는 평형 온도 바로 아래에서 형성되어야 한다. 그러나, 대부분의 경우 반응 동역학적 한계로 인해, 가스 흡수를 시작하려면 시스템을 평형 온도보다 훨씬 낮게 냉각해야 한다. 따라서, 추가 냉각 및 혼합 공정에 대한 추가 시간, 에너지 및 비용 요구 사항이 상당해지기 때문에, 산업 응용 분야에서는 충분히 높은 형성 온도가 필요하다. 동역학 결과는 셀 크기, 액체 및 기체의 초기 양, 접촉 면적, 교반 속도, 및 냉각 속도 등을 포함하여, 상기 하이드레이트가 형성되는 매우 다양한 조건에 크게 의존하기 때문에 다양한 연구가 자세한 동역학적 거동을 조사하기 위해 추가로 수행되어야 한다. 그러나, 현재 단계에서, 적당한 압력 수준에서 상온에서 14ECH + CH4 하이드레이트를 형성할 수 있다는 것은 여전히 주목할 만하다.20, it was clearly observed that the pressure started to drop rapidly at room temperature to form a hydrate phase. The high temperature of gas absorption can also be attributed to 14ECH's ability to stabilize simple hydrates. When the mixture of LGM + H 2 O is pressurized with the desired gas, theoretically the hydrate should form just below the equilibrium temperature. However, in most cases, due to reaction kinetic limitations, the system must be cooled well below the equilibrium temperature to initiate gas uptake. Thus, industrial applications require sufficiently high forming temperatures as the additional time, energy and cost requirements for additional cooling and mixing processes become significant. Because the kinetic results are highly dependent on the wide variety of conditions under which the hydrates are formed, including cell size, initial amounts of liquid and gas, contact area, agitation rate, and cooling rate, etc., various studies are needed to investigate the detailed kinetic behavior. should be performed additionally. However, at the present stage, it is still noteworthy that 14ECH + CH 4 hydrate can be formed at room temperature at moderate pressure levels.

결론적으로, ETHF, 14ECH 및 12ECH의 세 가지 신규 LGMs을 포함하여 CH4 하이드레이트를 합성하고 특성화하였다. 결정학적 결과 및 분광학적 결과에 따르면, 모든 하이드레이트들은 sII(Fd-3m) 더블 하이드레이트로 확인되었으며, 이 중 큰 케이지 및 작은 케이지에 각각 LGMs과 기체 분자가 우세하게 차지하였다. 각 LGM + CH4 (및 N2) 하이드레이트의 열역학적 안정성은 단순 CH4 (및 N2) 하이드레이트에 비해 현저하게 향상되었다. 특히, 14ECH는 다른 두 프로모터들에 비해 몇 가지 독특한 특징을 나타내었다. 첫째, PXRD, NMR, Raman 및 DSC 분석의 명확한 증거를 바탕으로, 14ECH는 지금까지 발견된 가장 큰 크기를 가진 단순 sII 형성자인 것으로 밝혀졌다. 둘째, 14ECH는 현재 가장 강력한 프로모터로 고려되는 THF에 버금가는 우수한 프로모션 효과를 나타내었다. 열역학적 안정성 외에도, 상기 14ECH + CH4 하이드레이트는 충분히 높은 형성 온도를 나타내어 추가 냉각이 거의 필요하지 않다. 이러한 유망한 기능들을 고려할 때, 본 발명자들은 14ECH 하이드레이트 시스템을 사용하여 하이드레이트-기반 기술을 촉진할 수 있다고 여긴다. 그러나, 본 연구는 주로 재료의 구조 및 안정성에 대한 기본 특성화에 중점을 두었기 때문에, 산업 응용 분야의 경우, 가스 저장 용량, 가스 흡수/방출 공정의 동역학, 프로모터 자체의 안정성, 조건 최적화 및 관련 영역을 포함하는, 향후 작업에서 다양한 핵심 엔지니어링 포인트를 연구해야만 한다. 마지막으로, 본 발명자들은 여기에 소개된 LGMs이 기존 프로모터들의 대안으로서 작용할 수 있는 상당한 잠재력이 있으며 공학 연구 분야 및 과학 연구 분야에서 널리 사용될 수 있음을 강조한다. 본 발명자들은 또한 여기에 보고된 발견과 결과가 특히 기능성 얼음 물질과 관련하여, 클러스레이트 하이드레이트의 기본을 확장하였다고 여긴다.In conclusion, CH 4 hydrates including three novel LGMs, ETHF, 14ECH and 12ECH, were synthesized and characterized. According to the crystallographic and spectroscopic results, all hydrates were identified as sII(Fd-3m) double hydrates, and among them, LGMs and gas molecules predominately occupied the large and small cages, respectively. The thermodynamic stability of each LGM+CH 4 (and N 2 ) hydrate is significantly improved compared to simple CH 4 (and N 2 ) hydrate. In particular, 14ECH exhibited several unique characteristics compared to the other two promoters. First, based on clear evidence from PXRD, NMR, Raman and DSC analyses, 14ECH was found to be a simple sII former with the largest size found so far. Second, 14ECH showed an excellent promotion effect comparable to THF, which is currently considered as the strongest promoter. Besides thermodynamic stability, the 14ECH + CH 4 hydrate exhibits sufficiently high formation temperatures that little additional cooling is required. Considering these promising functions, the inventors believe that the 14ECH hydrate system can be used to promote hydrate-based technology. However, since this study mainly focused on basic characterization of the structure and stability of materials, for industrial applications, gas storage capacity, kinetics of gas uptake/release process, stability of the promoter itself, condition optimization and related areas. A number of key engineering points should be studied in future work, including Finally, we emphasize that the LGMs introduced here have great potential to act as an alternative to existing promoters and can be widely used in engineering and scientific research fields. The inventors also believe that the findings and results reported herein expand the basics of clathrate hydrates, particularly with respect to functional ice materials.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present application is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present application.

Claims (11)

1,2,3,4-디에폭시부탄, 1,2-에폭시시클로펜테인, 1,3-에폭시시클로펜테인, 2,3-에폭시테트라히드로퓨란, 3,4-에폭시테트라히드로퓨란, 1,2-에폭시시클로헥산, 1,3-에폭시시클로헥산 및 1,4-에폭시시클로헥산에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하거나, 또는 상기 화합물과 함께 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는,
클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터:
[화학식 1]
Figure 112022133404137-pat00017
;
상기 화학식 1에서,
R1 , R2 , R3 , 및 R4는, 각각 독립적으로, 수소, 또는 C1-4의 선형 또는 분지형의 알킬(alkyl)기이고,
상기 C1-4의 선형 또는 분지형의 알킬(alkyl)기는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, sec-부틸기, iso-부틸기 또는 tert-부틸기에서 선택되는 것이고,
단, R1, R2, R3, 및 R4가 동시에 수소인 것은 제외함.
1,2,3,4-diepoxybutane, 1,2-epoxycyclopentane, 1,3-epoxycyclopentane, 2,3-epoxytetrahydrofuran, 3,4-epoxytetrahydrofuran, 1, Including one or more compounds selected from 2-epoxycyclohexane, 1,3-epoxycyclohexane and 1,4-epoxycyclohexane, or containing a compound represented by Formula 1 together with the above compound,
Thermodynamic promoter for clathrate hydrate:
[Formula 1]
Figure 112022133404137-pat00017
;
In Formula 1,
R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or a C 1-4 linear or branched alkyl group,
The C 1-4 linear or branched alkyl group is a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an iso-propyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, an iso-butyl group, or a tert-butyl group. is chosen,
However, R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are simultaneously hydrogen.
제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1로서 표시되는 화합물은 1,2-에폭시부탄, 2,3-에폭시부탄, 1,2-에폭시-2-메틸프로판, 및 3,3-디메틸-1,2-에폭시부탄에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 것인, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터.
According to claim 1,
The compound represented by Formula 1 is one selected from 1,2-epoxybutane, 2,3-epoxybutane, 1,2-epoxy-2-methylpropane, and 3,3-dimethyl-1,2-epoxybutane. A thermodynamic promoter for clathrate hydrate comprising the above compounds.
제 1 항에 있어서,
상기 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터는 단순 하이드레이트 형성 프로모터인, 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터.
According to claim 1,
The thermodynamic promoter for the clathrate hydrate is a simple hydrate-forming promoter, a thermodynamic promoter for the clathrate hydrate.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는,
클러스레이트 하이드레이트.
Comprising a thermodynamic promoter for clathrate hydrate according to any one of claims 1 to 3,
clathrate hydrate.
제 4 항에 있어서,
상기 클러스레이트 하이드레이트는 재사용이 가능한 것인, 클러스레이트 하이드레이트.
According to claim 4,
The clathrate hydrate is reusable, clathrate hydrate.
제 4 항에 있어서,
상기 클러스레이트 하이드레이트는 15℃ 내지 30℃의 온도, 및 20 기압 내지 90 기압의 압력에서 형성되는 것인, 클러스레이트 하이드레이트.
According to claim 4,
The clathrate hydrate is formed at a temperature of 15 ° C. to 30 ° C. and a pressure of 20 to 90 atm.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 클러스레이트 하이드레이트용 열역학적 프로모터를 포함하는 클러스레이트 하이드레이트를 이용하여 가스를 포집하는 것을 포함하는,
가스 포집 방법.
Collecting gas using a clathrate hydrate comprising the thermodynamic promoter for the clathrate hydrate according to any one of claims 1 to 3,
gas collection method.
제 7 항에 있어서,
상기 가스 포집 방법에 의해 포집되는 상기 가스는 CH4, H2, N2, 또는 CO2인,
가스 포집 방법.
According to claim 7,
The gas collected by the gas collection method is CH 4 , H 2 , N 2 , or CO 2 ,
gas collection method.
제 7 항에 있어서,
상기 가스는 15℃ 내지 30℃의 온도 및 20 기압 내지 90 기압의 압력에서 상기 클러스레이트 하이드레이트에 포집되는 것인,
가스 포집 방법.
According to claim 7,
The gas is collected in the clathrate hydrate at a temperature of 15 ° C to 30 ° C and a pressure of 20 to 90 atm,
gas collection method.
제 7 항에 있어서,
상기 가스의 저장 용량은 이론적인 가스 저장용량 대비 70% 이상인 것인, 가스 포집 방법.
According to claim 7,
The gas storage capacity is 70% or more of the theoretical gas storage capacity.
제 7 항에 있어서,
상기 가스 포집 방법은 상기 가스를 포집하여 저장, 수송, 또는 해리하는 것 중 하나 이상을 추가적으로 포함하는, 가스 포집 방법.
According to claim 7,
The gas collection method further comprises at least one of collecting, storing, transporting, or dissociating the gas.
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