钙碳酸氢盐(Ca(HCO₃)₂)的存在早在两个多世纪前就被提出,但由于其能量上不利的离子间相互作用,一直无法在自然界或实验室中分离得到纯化合物,所有尝试均以形成碳酸盐告终。钙碳酸氢盐在碳循环和生化过程中扮演重要角色,是地球上最大的碳库之一,然而多价金属的碳酸氢盐化合物及其形成机制始终未能明确,限制了人们对CO₂参与反应的理解与调控。
近日,浙江大学唐睿康教授、刘昭明研究员课题组成功合成了Ca(HCO₃)₂晶体,通过调控键合环境增强了碳酸氢根离子的稳定性,并首次解析了其晶体结构。研究发现,Ca(HCO₃)₂晶体具有直接钙-碳酸氢键,与方解石同为菱形晶体结构。此外,研究揭示高极性环境(如水溶液)中钙键合碳酸氢根的极化作用会破坏钙-碳酸氢离子对,从而阻碍晶体形成。这一成果为金属-碳酸氢相互作用及离子化合物形成机制提供了关键见解。相关论文以“Synthesis of Crystalline Calcium Bicarbonate”为题,发表在
JACS上,论文第一作者为Kong Kangren和Cai Guohong。
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研究人员通过对已知金属碳酸盐和碳酸氢盐的元素分布进行分析,发现碳酸氢盐主要集中于单价金属,而多价金属的碳酸氢盐结构极为罕见,这限制了对钙-CO₂矿化系统的精确建模。在合成与表征方面,扫描和透射电子显微镜图像显示沉淀物为典型的六边形板状颗粒,X射线衍射图谱表明其为新相,不同于任何已知碳酸钙材料。核磁共振谱中仅在碳酸氢盐特征范围内出现峰位,确认其为碳酸氢盐而非碳酸盐。热重-红外-质谱联用分析显示CO₂分两阶段释放,比例约为1:1,符合Ca(HCO₃)₂的化学计量,且失重曲线与理论值高度吻合。红外光谱中出现的分裂–CO₂伸缩带以及氢相关振动带进一步证实了碳酸氢根的存在。该合成策略还成功拓展至锶和钡,获得了Sr(HCO₃)₂和Ba(HCO₃)₂晶体。
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图1.当前已知金属碳酸盐和金属碳酸氢盐的元素分布。
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图2.钙碳酸氢盐的形貌和化学组成。(a)SEM(i–iii)和TEM(iv)图像。典型晶体形状为六边形。(b)Ca(HCO₃)₂晶体的XRD图案(实验)和其他钙碳酸盐晶体(计算)。钙碳酸氢盐的图案与环境条件下的钙碳酸盐晶体不同。MHC代表单水方解石,CCHH代表碳酸钙半水合物。(c)2D¹³C–¹³C NMR谱。峰归属于碳酸氢盐。顶部两个彩色区间代表碳酸盐和碳酸氢盐物种的报告范围。(d)2D¹H–¹³C NMR谱。峰归属于碳酸氢盐和活性氢。(e)加热时释放的CO₂的原位IR光谱随温度变化。CO₂在约2350 cm⁻¹处显示双伸缩带,在70至200°C和570至750°C两次释放。(f)脱附钙碳酸氢盐样品的失重曲线。无溶剂钙碳酸氢盐的理想失重应为62%(Ca(HCO₃)₂到CaCO₃)和35%(CaCO₃到CaO)在两个阶段,而实验值为61%和36%,与理论值密切一致。(g)Ca(HCO₃)₂晶体的IR光谱。分裂的–CO₂伸缩带在1655和1321 cm⁻¹是碳酸氢盐的特征。
通过连续旋转电子衍射方法,研究人员解析了Ca(HCO₃)₂的晶体结构,发现其属于R₃̅c空间群,与方解石对称性相同,但具有层状多孔框架。晶体中Ca–O键长在2.27至2.56 Å之间,C–O键长在1.25至1.44 Å之间,表明钙与碳酸氢根之间形成直接键合。密度泛函理论计算验证了该结构的合理性,并显示其晶格能为-11.9 eV,介于NaHCO₃和方解石之间,表明其具有稳定的离子网络。
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图3.钙碳酸氢盐晶体的分子结构。(a)沿a轴的cRED确定的钙碳酸氢盐晶体结构的侧视图。晶胞中有三种化学环境的Ca离子:Ca1)连接密集离子层的点,以及Ca2和Ca3)交替堆叠的密集离子层。(b)钙碳酸盐和钙碳酸氢盐晶体的计算总对分布函数。钙碳酸氢盐在2.6 Å以下显示出与大多数钙碳酸盐晶体相似的短程有序,具有强的C–O和Ca–O峰。MHC代表单水方解石,CCHH代表碳酸钙半水合物。(c)未溶剂化金属键合离子对(左图)和晶体(右图)中碳酸氢盐羟基原子Hirshfeld电荷的总和。(d)碳酸氢盐晶体的晶格能。
为探究晶体形成机制,研究结合DFT与从头算分子动力学模拟,分析了钙与碳酸氢根在溶液中的离子对稳定性。结果表明,在水溶液中,钙的配位与高极性溶剂环境共同导致O–H键共价性降低,促使碳酸氢根去质子化,从而阻止固体形成。而在乙醇等低极性溶剂中,O–H键稳定性增强,有利于Ca(HCO₃)₂离子对的形成与结晶。这一机制解释了为何以往在水溶液中无法获得固态碳酸氢钙。
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图4.(a)钙-碳酸氢根与钙-碳酸根离子对在生物矿化pH范围内的浓度比较。(b)金属-碳酸氢反应路径示意图,显示键稳定性受金属诱导极化与溶剂极性调控。(c)金属-碳酸氢离子对中O–H键共价性与金属离子电位的关系。(d)不同环境中碳酸氢根O–H键共价性的比较。(e)水和乙醇中钙与钠键合碳酸氢根的O–H键共价性及模糊键序分析。
该研究不仅填补了教科书与当代研究在经典离子化合物方面的空白,还提出了一种基于离子极化调控的化合物形成新路径,超越了传统体相热力学的局限。钙碳酸氢盐晶体的成功合成为构建精确的原子力场、开发主客体化学新材料以及探索CO₂矿化新途径提供了理论基础,未来或可推动基于钙碳酸氢盐转化的人工CO₂捕集与封存技术。
来源:高分子科学前沿
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