水镁石(001)表面CO2和H2O的吸附结构

摘要

碳捕集和地质封存是应对温室气体排放增加的有效措施,包括水镁石(Mg(OH)2)在内的多种矿物具有固定CO2的潜力.实验发现在308～373K下,超临界二氧化碳流体(scCO2)几乎不与水镁石反应,而水与scCO2混合体系则可与水镁石表面反应并生成三水菱镁矿(MgCO3·3H2O)和菱镁矿(MgCO3)(Scharf,2011;Loring,2012).前人针对水在该过程中起的作用,提出两种假设:(1)水的H被水镁石表面羟基夺去,水的O与表面Mg原子结合,CO2再与该O反应形成CO32-(Scharf,2011);(2)水在表面上形成水膜,并与CO2形成碳酸,碳酸与表面作用形成Fe-CO32-(Baltrusaitis,2005).本文使用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)密度泛函计算了H2O、CO2、H2CO3在水镁石表面的吸附位点,利用第一性原理动力学(AIMD)计算了各组分在表面的运动状态,并进行大尺度的动力学模拟(MD),探讨了CO2对水镁石(001)表面无影响的原因,评价了水的作用.