Probing pH-Dependent Dehydration Dynamics of Mg and Ca Cations in Aqueous Solutions with Multi-Level Quantum Mechanics/Molecular Dynamics Simulations

化学 水溶液 脱水 分子动力学 离子键合 密度泛函理论 无机化学 海水 化学物理 离子 计算化学 物理化学 有机化学 地质学 海洋学 生物化学
作者
Jan-Niklas Boyn,Emily A. Carter
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (37): 20462-20472 被引量:10
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06182
摘要

The dehydration of aqueous calcium and magnesium cations is the most fundamental process controlling their reactivity in chemical and biological phenomena, such as the formation of ionic solids or passing through ion channels. It holds particular relevance in light of recent advancements in the development of carbon capture techniques that rely on mineralization for long-term carbon storage. Specifically, dehydration of Ca2+ and Mg2+ is a key step in proposed carbon capture processes aiming to exploit the relatively high concentration of dissolved carbon dioxide in seawater via the formation of carbonate minerals from solvated Ca2+ and Mg2+ cations for sequestration and storage. Nevertheless, atomic-scale understanding of the dehydration of aqueous Ca2+ and Mg2+ cations remains limited. Here, we utilize rare event sampling via density functional theory molecular dynamics and embedded wavefunction theory calculations to elucidate the dehydration dynamics of aqueous Ca2+ and Mg2+. Emphasis is placed on the investigation of the effect pH has on the stability of the different coordination environments. Our results reveal significant differences in the dehydration dynamics of the two cations and provide insight into how they may be modulated by pH changes.
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