Ab initio mechanism revealing for tricalcium silicate dissolution

溶解 元动力学 硅酸钙 硅酸盐 化学物理 硅酸盐矿物 离子交换 材料科学 吸附 化学工程 离子 化学 无机化学 分子动力学 计算化学 物理化学 冶金 工程类 有机化学
作者
Yunjian Li,Hui Pan,Qing Liu,Xing Ming,Zongjin Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:10
标识
DOI:10.1038/s41467-022-28932-2
摘要

Dissolution of minerals in water is ubiquitous in nature and industry, especially for the calcium silicate species. However, the behavior of such a complex chemical reaction is still unclear at atomic level. Here, we show that the ab initio molecular dynamics and metadynamics simulations enable quantitative analyses of reaction pathways, thermodynamics and kinetics of the calcium ion dissolution from the tricalcium silicate (Ca3SiO5) surface. The calcium sites with different coordination environments lead to different reaction pathways and free energy barriers. The low free energy barriers result in that the detachment of the calcium ion is a ligand exchange and auto-catalytic process. Moreover, the water adsorption, proton exchange and diffusion of water into the surface layer accelerate the leaching of the calcium ion from the surface step by step. The discovery in this work thus would be a landmark for revealing the mechanism of tricalcium silicate hydration.

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