网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

填补两个世纪空白!浙江大学唐睿康教授、刘昭明研究员JACS:首次合成结晶性碳酸氢钙!

0
分享至

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。


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。


图1.当前已知金属碳酸盐和金属碳酸氢盐的元素分布。


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。


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。


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

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
中年男女“越界”后,经常做这三件事,关系大多断不掉

中年男女“越界”后,经常做这三件事,关系大多断不掉

叶飞飞情感屋
2024-12-11 18:16:56
网曝发小杀害一家三口真相:受害人吃饭讨论黄金,却被发小记心里

网曝发小杀害一家三口真相:受害人吃饭讨论黄金,却被发小记心里

谈史论天地
2025-11-01 07:50:19
记者:海港抵达武里南,莱昂纳多、加布、李帅、刘若钒伤缺

记者:海港抵达武里南,莱昂纳多、加布、李帅、刘若钒伤缺

懂球帝
2025-11-02 22:17:09
中国不想当老大,美国不想当老二!诺贝尔奖得主:这才是完蛋之处

中国不想当老大,美国不想当老二!诺贝尔奖得主:这才是完蛋之处

苏曼文史
2025-10-24 17:32:53
本周3只新股申购!1只或为高中签股,集成电路关键材料厂商也来了!

本周3只新股申购!1只或为高中签股,集成电路关键材料厂商也来了!

证券时报e公司
2025-11-03 07:54:21
2025年11月3日凌晨俄乌冲突最新战报:红军城未下,核风险攀升

2025年11月3日凌晨俄乌冲突最新战报:红军城未下,核风险攀升

阿芒娱乐说
2025-11-03 08:00:59
中美吉隆坡磋商:不只停火,更是筹码时代开端!中国打出两张王牌

中美吉隆坡磋商:不只停火,更是筹码时代开端!中国打出两张王牌

王姐懒人家常菜
2025-11-03 07:28:48
建国初期,王海容到中南海做客,一见江青直接喊了句:三奶奶

建国初期,王海容到中南海做客,一见江青直接喊了句:三奶奶

雍亲王府
2025-10-31 15:00:03
安世中国:极为震惊,强烈反对!

安世中国:极为震惊,强烈反对!

占豪
2025-11-03 03:09:30
高考失利仍上985,航天员张洪章的履历,撕开多少人“遮羞布”?

高考失利仍上985,航天员张洪章的履历,撕开多少人“遮羞布”?

Thurman在昆明
2025-11-03 06:00:31
苏超落幕,谁是真正大赢家?

苏超落幕,谁是真正大赢家?

吴晓波频道
2025-11-02 08:30:38
海牛1-0,赢球不可怕,可怕的是李霄鹏赛后一席话,尽显高情商

海牛1-0,赢球不可怕,可怕的是李霄鹏赛后一席话,尽显高情商

范櫳舍长
2025-11-02 20:20:16
11.3日早评|卖爆了!A股11月要加油!

11.3日早评|卖爆了!A股11月要加油!

龙行天下虎
2025-11-03 02:12:28
官方丨7次扑救+扑点,当选全场最佳

官方丨7次扑救+扑点,当选全场最佳

米兰圈
2025-11-03 09:02:08
你见过哪些惊为天人的神操作?网友:我愿称第一个小姐姐为天人

你见过哪些惊为天人的神操作?网友:我愿称第一个小姐姐为天人

带你感受人间冷暖
2025-11-01 00:10:10
这下好了,不仅全国人民知道了,就连空间站的航天员也知道了!

这下好了,不仅全国人民知道了,就连空间站的航天员也知道了!

夜深爱杂谈
2025-11-01 07:58:52
奇怪!上官正义协助警方解救被贩卖的婴儿后,自己却被控制数小时

奇怪!上官正义协助警方解救被贩卖的婴儿后,自己却被控制数小时

火山诗话
2025-11-03 07:10:37
CBA新赛季唯一一支全华班?曝昔日总冠军不找外援,或面临降级

CBA新赛季唯一一支全华班?曝昔日总冠军不找外援,或面临降级

老叶评球
2025-11-02 17:16:06
华泰证券:2026年度A股市场风格进入再均衡而非切换

华泰证券:2026年度A股市场风格进入再均衡而非切换

证券时报
2025-11-03 08:31:03
被坑惨了!2000亿已经给了美国,66架F-16V却一架也没得到!

被坑惨了!2000亿已经给了美国,66架F-16V却一架也没得到!

阿龙聊军事
2025-11-03 06:06:21
2025-11-03 09:12:49
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
15070文章数 66807关注度
往期回顾 全部

科技要闻

马斯克为这事开骂:“他们什么都不懂”!

头条要闻

媒体:美防长针对中国发出尖锐"警告" 随后说法又变了

头条要闻

媒体:美防长针对中国发出尖锐"警告" 随后说法又变了

体育要闻

这个日本人,凭啥值3.25亿美元?

娱乐要闻

陈道明被王家卫说他是阴阳同体的极品

财经要闻

马斯克:未来5-6年传统手机与App将消失

汽车要闻

神龙汽车推出“发动机终身质保”政策

态度原创

艺术
家居
手机
教育
旅游

艺术要闻

瓦迪斯瓦夫·谢维尼茨基:19世纪波兰杰出的画家

家居要闻

吸睛艺术 富有传奇色彩

手机要闻

古尔曼:Apple Intelligence 入华计划再延期,iOS 26.4 成新目标

教育要闻

韦达定理构方程,实在是太巧妙啦!

旅游要闻

跟着这张地图,来重庆赏“秋”“香”

无障碍浏览 进入关怀版