概述
甲烷-D4是甲烷的同位素衍生物，分子中所有氢原子均被氘（D）取代，常温常压下为无色无味气体，通常以高压气瓶形式储存。该物质的分子式为CD4，分子量为20.07，相对密度约为0.55g/cm3，具有与普通甲烷相似的正四面体分子结构。密度泛函理论计算氘代甲烷振动频率和热力学性质的有关研究表明，氘代甲烷分子等容热容和熵随着氘取代原子数的增加而增加，而总能和焓随之减小，故甲烷-D4分子等容热容和熵最大，总能和焓最小[1]。
物化性质
熔点:−183 °C(lit.)
沸点:−161 °C(lit.)
闪点:-18°C
应用
甲烷-D4可以作为氘源用于合成其他氘代试剂，例如制备氘代氯仿(CCl3D)。具体地，在紫外可见光与催化剂的作用下，甲烷-D4与Cl2在光化反应器中混合后，依次经碱洗，分液，干燥，蒸馏处理得到氘代氯仿。该方法采用新型的高效催化剂并配合光化反应器，实现了甲烷-D4与氯气在温和条件下的选择性反应。此外，该发明生产氘代氯仿的原料易得，制备周期短，能够连续化生产，还可以副产具有一定应用价值的氘代一氯甲烷，氘代二氯甲烷等产品，进一步提升了整体生产工艺的经济效益[2]。
有关研究
煤层注水是一种煤矿开采中常用的防尘和防瓦斯技术，简单来说就是通过钻孔向煤层中注入高压水，让水渗透到煤层的微小裂隙中，常被应用于瓦斯，粉尘及冲击地压防治。获得煤-水-甲烷三相体系中水分的分布规律，对于揭示含瓦斯煤注水防突，防冲及防尘的机理具有重要的理论意义。对于煤-水-甲烷三相体系中水分分布的测试，无损检测法是一种首选的方法，核磁共振测试技术对于水分分布测试具有其独特的优势，然而采用核磁共振测试煤-水-甲烷三相体系中水分的分布规律时，甲烷分子中氢原子与水分子中的氢原子相互干扰，造成不能准确获得煤-水-甲烷三相体系中水分的分布规律。所以，科研人员提出采用甲烷-D4代替甲烷研究含瓦斯煤中水分分布，需首先获得煤对甲烷-D4及甲烷的吸附特性。采用等温吸附试验及分子动力学模拟的方法研究了煤对甲烷及甲烷-D4的吸附量及等量吸附热。
研究结果表明：煤对甲烷及甲烷-D4的吸附量差别不大，且吸附量与吸附平衡压力满足Langmuir的函数关系；煤对甲烷及甲烷-D4的等量吸附热随着吸附平衡压力的增加而减小，等量吸附热与瓦斯压力满足指数的函数关系；同一温度条件下，煤对甲烷及甲烷-D4的等量吸附热差别不大；煤对甲烷及甲烷-D4的等量吸附热随着温度的减小而增加，且等量吸附热均存在极限值，均为物理吸附。上述研究结果为采用核磁共振定量研究煤-甲烷-水分三相体系中水分的分布规律奠定了理论基础[3]。
参考文献
[1]陆春海,陈文凯,廖俊生,等.密度泛函理论计算氘代甲烷振动频率和热力学性质[J].核化学与放射化学, 2002, 24(2):109-111.DOI:10.3969/j.issn.0253-9950.2002.02.009.
[2]戴佳明,叶珉昊.一种氘代氯仿的制备方法:CN202411478881.8[P].
[3]岳基伟李宏孙永鑫邵亨威吕振威李怀宾.煤对甲烷及氘代甲烷吸附性能研究[J].煤炭科学技术, 2022, 50(11):93-99.