类水滑石层间纳米局限水的跳跃式扩散

  

   

  类水滑石,也被称为层状双氢氧化物,水分子和阴离子局限于其纳米尺度的层间。类水滑石被广泛用作催化剂、吸附剂、电极修饰等,这些应用与其层间的物理化学过程(如阴离子交换、质子传导、水化和脱水等)密切相关。而这些物理化学过程受到层间水分子的结构与运动方式的制约。前人的第一性原理模拟和拉曼光谱分析均表明,层间水分子的结构与Ih型冰相似。处于固体晶格和流体中的原子运动方式不同,即固体晶格中原子的扩散是跳跃式的,而流体中原子的扩散是连续式的。类水滑石层间水与冰具有相似性,那么其扩散方式究竟是连续式的还是跳跃式的?这是个值得研究的科学问题。

  广州地球化学研究所的陈锰博士使用分子动力学模拟方法研究类水滑石(Mg2Al(OH)6Cl·mH2O)层间水的结构和运动,发现层间水分子的扩散方式与固体晶格中的原子类似,即以跳跃的方式扩散。类水滑石的层间水以单分子层的形式存在。大多数水分子固定于层间的羟基位点,其氧原子接受来自上下层羟基的氢键,而氢原子贡献氢键予层间的氯离子或其他水分子,呈四配位结构。该配位结构与冰的配位结构类似,因而水分子较稳定地固定于羟基位点中,以振动模式与上下层羟基共同运动。但由于偶然性的氢键交换,原来处于一个羟基位点的水分子失去了该处羟基所贡献的氢键,并几乎同时与另一个位点的上下层羟基形成氢键。由此,一个水分子从层间的一个位点跳跃到另一个位点。这个跳跃过程是迅速的,但出现概率较低。平均每104 ps每个水分子跳跃一次。根据跳跃模型计算的层间水分子扩散系数,和直接拟合水分子均方位移得到的扩散系数在数量级上一致(109cm2/s),这表明层间水分子的扩散主要由一系列跳跃事件所组成。

  本研究成果已发表于The Journal of Physical Chemistry C上,该研究得到国家自然科学基金等的资助。

  Chen, M., Shen, W., Lu, X.C., Zhu, R., He, H.P., and Zhu, J.X. (2016) Jumping Diffusion of Water Intercalated in Layered Double Hydroxides. The Journal of Physical Chemistry C, 120(23), 12924-12931. 

 

 

 

(中科院矿物学与成矿学重点实验室 & 所综合办公室 供稿)

附件: