科研進(jìn)展
青海鹽湖所在限域溶液結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究方面取得系列進(jìn)展?
受限在約5－1000埃米（?）孔徑內(nèi)的溶液稱(chēng)為受限溶液。受限溶液在分離科學(xué)、催化科學(xué)、礦物淋濾、礦物沉積、生物膜等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性受到廣泛的關(guān)注。例如，在鹽湖資源分離領(lǐng)域，理解限域溶液的結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散行為可指導(dǎo)通過(guò)優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)和孔道表面特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離子和水分子的輸運(yùn)行為精確控制，開(kāi)發(fā)具有高效傳質(zhì)和分離性能的新介質(zhì)。
中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所溶液結(jié)構(gòu)與界面課題組采用X射線散射（XRS）和準(zhǔn)彈性中子散射（QENS）等實(shí)驗(yàn)方法，在200－300 K溫度范圍內(nèi)研究了孔徑為18.7 ?的有序介孔碳（OMC）中毛細(xì)管冷凝水的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。研究表明水的四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到了體積水結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，隨著溫度的降低，在受限水零下溫度下趨于四面體的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在230 K以下，部分六方冰Ih在OMC孔隙中形成。通過(guò)分析得出300 K時(shí)，水分子在OMC孔隙中的平動(dòng)擴(kuò)散與體積水相當(dāng)，且隨溫度的降低而減緩。QENS數(shù)據(jù)分析表明水在疏水微孔中的擴(kuò)散并未因空間限域而減慢，這與親水性微孔中的擴(kuò)散系數(shù)形成了顯著對(duì)比。由于受限作用，水在OMC孔隙中的活化能（Ea）小于本體水，表明隨著受限壁疏水性的增加，受限以較小的能量擴(kuò)散。研究得出被限制在親水界面或兩親界面中的水分子與親水基團(tuán)相互作用強(qiáng)烈，而被限制在疏水界面中的水分子傾向于聚集在孔隙的中心部分。彈性非相干結(jié)構(gòu)因子（EISF）分析發(fā)現(xiàn)了受限水存在不移動(dòng)和移動(dòng)組分的證據(jù)。水分子表現(xiàn)出跳躍擴(kuò)散行為，其跳躍長(zhǎng)度與約束半徑為a的球一致。通過(guò)QENS對(duì)具有疏水甲基和親水氫氧基的兩親分子（MeOH）在有機(jī)－無(wú)機(jī)孔（Ph－PMO）和完全疏水孔（OMC）中的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的角度研究受限液體分子與限域界面之間的相互作用規(guī)律，該工作發(fā)表在Journal of Molecular Liquids 2024，415，126316． DOI： 10.1016／j．molliq．2024.126316．
近年來(lái)，青海鹽湖所溶液結(jié)構(gòu)與界面課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)及青海省基礎(chǔ)條件平臺(tái)等項(xiàng)目的支持下，面向鹽湖資源分離中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，從濃鹽溶液結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)與界面著手持續(xù)攻關(guān)，取得系列進(jìn)展。從離子水合水分子的取向和及其平均滯留時(shí)間系統(tǒng)定義了堿金屬與鹵素離子的水化行為（The Journal of Physical Chemistry Letters 2023，14 （27），6270－6277． DOI： 10.1021／acs．jpclett．3c01302．）。以冠醚為模型化合物，從微觀結(jié)構(gòu)層面揭示了冠醚選擇性識(shí)別堿金屬離子的化學(xué)本質(zhì)（The Journal of Physical Chemistry B 2023，127?。?1），4858－4869． DOI： 10.1021／acs．jpcb．3c01875．）。為實(shí)現(xiàn)溶液界面相互作用的微尺度實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，以限域溶液為研究對(duì)象構(gòu)建了多元數(shù)據(jù)（X射線散射＋中子散射數(shù)據(jù)）驅(qū)動(dòng)的全原子建模的固－液界面實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法（Journal of Molecular Liquids 2023，388，122746． DOI： 10.1016／j．molliq．2023.122746．），較好解決了含氫體系中子散射數(shù)據(jù)非彈性校正的難題（The Journal of Physical Chemistry B 2024，128?。?0），7445－7456． DOI： 10.1021／acs．jpcb．4c02826．）；以微液滴為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了超聲波懸浮單液滴的微聚焦X射線散射測(cè)量方法，為液－氣界面的原子尺度觀測(cè)提供新方法。（Journal of Solution Chemistry 2023，53，610－625． DOI： 10.1007／s10953－023－01309－9．）。
水在限域在介孔碳中的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)行為
