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Redefining·CO3– Formation Chemistry: Zundel-likeSwitches Drive Carbonate‑·OHInterfacial Reactivity

反应性(心理学) 电子转移 激进的 化学物理 化学 同种类的 催化作用 分子动力学 溶剂化 产量(工程) 反应机理 从头算 计算化学 机制(生物学) 光化学 反应动力学 多相催化 化学反应 反应中间体 均相催化 材料科学 纳米技术 碳酸盐 从头算量子化学方法 化学工程 分解 原位
作者
Jiarong Liu (8703150),Xiaohua Yang,Jinkai Gu (23671192),Lili Qiu (6028925),Ling Liu (143030),An Ning,Hao Li (31608),Jinggang Lan,Joseph S. Francisco,Xiuhui Zhang
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01510.s001
摘要

The formation of carbonate radicals (·CO3–) via carbonate-hydroxyl radicals (·OH) reaction is the cornerstone of environmental oxidative cycles, yet its molecular mechanism has long been limited to homogeneous bulk-phase paradigms, a view that conflicts with enhanced reactivity in interfacial-rich systems. Characterizing these processes is hindered by the transience of ·OH, system heterogeneity, and the inability to resolve in situ pathways. Herein, we combine ab initio molecular dynamics and machine learning molecular dynamics to redefine ·CO3– formation chemistry. We reveal that the gas–liquid interfacial reaction dominates ·CO3– generation, mediated by two proton-coupled electron transfer pathways (concerted proton–electron transfer and stepwise proton-transfer followed by electron-transfer). Critical to this reactivity are Zundel/Zundel-like hydrogen-bonded configurations, which act as “molecular switches” to trigger rapid reactions, enabled by the intrinsic interfacial enrichment of ·OH (85.2%) and HCO3– (92.2%). The interfacial pathway outperforms bulk reactions in ·CO3– formation, with (90 ± 6.13)% yield [vs (80 ± 8.94)% in bulk] and approximately 100-fold faster rate [(1.15 ± 0.01) × 1011 M–1 s–1 vs (9.63 ± 0.03) × 108 M–1 s–1], attributed to the partial solvation of ·OH at the interface. Additionally, ·OH reacts with bulk-phase CO32– via heterogeneous electron transfer (bulk → interface), yielding a rate approximately 10-fold faster ·CO3– formation than homogeneous bulk reactions. These findings challenge bulk-centric paradigms, establish the interface as the dominant ·CO3– source, and provide actionable insights for optimizing advanced oxidation processes, water remediation, and catalyst design by leveraging interfacial microenvironments.
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