Uranyl Speciation in Carbonate-Rich Hydrothermal Solutions: A Molecular Dynamics Study

化学 铀酰 热液循环 碳酸盐 分子动力学 水溶液 碳酸盐离子 无机化学 物理化学 化学工程 计算化学 有机化学 离子 材料科学 冶金 工程类
作者
Xi Zhang,Xiandong Liu,Yingchun Zhang,Tianhua Wang,Pengyuan Gao,Xiancai Lu
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:64 (1): 50-57
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.4c04147
摘要

In this study, we employed classical molecular dynamics (CMD) and first-principles molecular dynamics (FPMD) simulations to investigate the speciation of uranyl in carbonate-rich hydrothermal solutions. The association constants (log10KA) of uranyl carbonate complexes were derived from the potential of mean forces (PMFs) obtained from CMD simulations, and the acid constants (pKas) of uranyl aqua ions were calculated using the FPMD-based vertical energy gap method. The results showed that uranyl ions could form stable mono- and bi-carbonate complexes at elevated temperatures and that uranyl aqua ions strongly hydrolyzed in neutral solutions at temperatures exceeding 473 K. The speciation of uranyl in hydrothermal solutions was constructed based on the calculated thermodynamics data. It was found that uranyl carbonate complexes were predominant in aqueous solutions at temperatures below 373 K, and at higher temperatures, UO2(OH)2/UO2(OH)+ became the predominant species. These findings provide molecular-level insight into the speciation of uranyl in hydrothermal solutions and highlight the role of uranyl hydroxides in the transport and deposition of uranium in hydrothermal processes.
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