Unveiling the CO2 hydrate phase diagram from computer simulation: Locating the hydrate–liquid–vapor coexistence and its upper quadruple point

J Jesús Algaba (Laboratorio de Simulación Molecular y Química Computacional, CIQSO-Centro de Investigación en Química Sostenible and Departamento de Ciencias Integradas, Universidad de Huelva , 21006 Huelva,) S Samuel Blazquez (Dpto. Química Física I, Fac. Ciencias Químicas, Universidad Complutense de Madrid 2 , 28040 Madrid,) C Cristóbal Romero-Guzmán (Laboratorio de Simulación Molecular y Química Computacional, CIQSO-Centro de Investigación en Química Sostenible and Departamento de Ciencias Integradas, Universidad de Huelva 1 , 21006 Huelva,) C Carlos Vega (Departamento de Química Física) M María M. Conde (Departamento de Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid 1 , 28006 Madrid,) F Felipe J. Blas (Laboratorio de Simulación Molecular y Química Computacional, CIQSO-Centro de Investigación en Química Sostenible and Departamento de Ciencias Integradas, Universidad de Huelva , 21006 Huelva,)

Abstract

Carbon dioxide (CO2) hydrates hold promising applications in capturing and separating CO2 for climate change mitigation. Understanding their behavior at the molecular level is, therefore, essential, and computer simulations have become powerful tools for exploring their formation and stability, providing valuable insights into their underlying mechanisms. In this work, we perform molecular dynamics simulations to compute the three-phase coexistence line involving the stability region where CO2 is in the vapor phase: CO2 hydrate–liquid water–vapor. This computation was previously inaccessible using the traditional three-phase direct coexistence technique. To achieve this, we employ a novel solubility-based method, which allows us to accurately evaluate the coexistence line. Our results exhibit excellent agreement with experimental data and, for the first time, accurately reproduce the hydrate–liquid–vapor equilibrium line of the CO2–water phase diagram. Finally, we have determined the upper quadruple point (Q2), where the four phases, namely hydrate, liquid water, liquid CO2, and vapor, coexist. Our pioneering result for the Q2 value shows remarkable agreement with experimental observations, validating the accuracy of our findings and representing a significant milestone in the field of gas hydrate research.

Article Details

Volume / Issue Vol. 163, Issue 24
Published December 28, 2025
ISSN 0021-9606
Publisher American Institute of Physics

Journal Info

The Journal of Chemical Physics

American Institute of Physics

ISSN: 0021-9606 Physical Sciences

Authors (6)

J

Jesús Algaba

Laboratorio de Simulación Molecular y Química Computacional, CIQSO-Centro de Investigación en Química Sostenible and Departamento de Ciencias Integradas, Universidad de Huelva , 21006 Huelva,

S

Samuel Blazquez

Dpto. Química Física I, Fac. Ciencias Químicas, Universidad Complutense de Madrid 2 , 28040 Madrid,

C

Cristóbal Romero-Guzmán

Laboratorio de Simulación Molecular y Química Computacional, CIQSO-Centro de Investigación en Química Sostenible and Departamento de Ciencias Integradas, Universidad de Huelva 1 , 21006 Huelva,

C

Carlos Vega

Departamento de Química Física

M

María M. Conde

Departamento de Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid 1 , 28006 Madrid,

F

Felipe J. Blas

Laboratorio de Simulación Molecular y Química Computacional, CIQSO-Centro de Investigación en Química Sostenible and Departamento de Ciencias Integradas, Universidad de Huelva , 21006 Huelva,