一种预测不同晶型C2S初始碳酸化反应差异性的方法

本发明涉及建筑材料中的水泥领域，尤其涉及一种对c2s初始碳酸化反应的差异性进行分析预测的方法。

背景技术：

1、全球变暖所导致的气候和生态变化日趋严重，因此，降低大气中co2含量对于减缓全球变暖至关重要。在众多解决办法中，co2矿化被认为是一种具有成本效益的方法，该方法的原理是利用co2与金属阳离子（例如镁、钙和铁）发生化学反应，形成稳定的碳酸盐矿物，实现co2的永久封存。硅酸二钙（c2s）的碳酸化活性被引起重视，为揭示其碳酸化反应动力学机制，大量研究者聚焦于调控c2s的碳酸化反应速率。随着实验测试的不断突破，研究者对传统硅酸盐钙硅相的认识逐渐从宏观表相转变成更深层的机理讨论，而对于新型硅酸二钙水泥的水化本质研究较少。现有的实验研究主要通过测定碳酸化反应的热量和碳酸化产物的力学性能，来研究不同硅酸钙矿相的碳酸化反应活性。尽管这些测试方法能够评估不同矿相的碳酸化活性差异，但仍无法揭示相应的碳酸化反应机理。

2、近些年来，日益成熟的原子模拟技术已大量地应用于复杂的水泥化学领域，如何利用原子模拟技术在纳观尺度上剖析水化活性与表面微观结构之间的本质关系，以弥补对微观结构认识的不足，从源头上了解碳化反应速率的差异性，进而给固碳和碳养护提供理论指导，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对以上技术问题，提供了一种从纳观尺度揭示碳化反应机理，从而定性地了解电子转移和成键情况的预测不同晶型c2s初始碳酸化反应差异性的方法。

2、本发明一种预测不同晶型c2s初始碳酸化反应差异性的方法，包括以下步骤：

3、s1、模型构建，

4、通过不同表面碳化构型构建不同晶型c2s的表面co2分子和活化hco3-离子吸附模型，即：采用材料模型构建软件构建c2s的基础晶胞模型，然后改变co2反应和和hco3-反应构型，得到不同碳酸化反应机制表面；

5、s2、模型设置，

6、进行分子动力学模拟，对不同碳酸化反应机制表面结构进行co2分子和hco3-离子活化位点的优化；得到不同晶型表面在一段时间初始碳酸化反应后结构模型；

7、s3、结果分析，

8、s3.1、进行结构特性分析，

9、s3.1.1、不同晶型表面的初始碳酸化结果分析，通过比较co2分子和hco3-离子的键长、键角、si-o键长以及h-o径向分布函数，来判断初始碳酸化活性；

10、s3.1.2、热力学能垒分析，以揭示β-c2s(100)/h2o-co2、γ-c2s(010)/h2o-co2、β-c2s(100)/h2o-hco3−和γ-c2s(010)/h2o-hco3−体系的初始碳酸化反应机制；

11、s3.2、电荷转移分析，不同c2s表面活化后的co2分子和hco3-离子构型的电荷转移，通过比较电荷的转移，来揭示初始碳酸化反应活性的差异，

12、s4、得出结论，

13、得出不同晶型co2和hco3−在不同反应期碳酸化反应的活跃程度。

14、进一步地，所述步骤s1采用材料模型构建软件构建c2s的基础晶胞模型，具体为：

15、以活化co2分子的β-c2s的晶面指数(100)表面模型，真空层为1.0nm，水层为1.0nm，分别将两个h2o分子用两个co2分子取代，其中一个co2被放置于邻近表面层，另一个co2分子被放置于本体溶液中，建立a×b×c=13.63×9.38×44.00å的模型；

16、以活化hco3-离子的β-c2s的晶面指数(100)表面模型，真空层为2.0nm，分别将一个h2o分子用hco3−离子取代，建立a×b×c=13.63×9.38×44.00å的模型；

17、以活化co2分子的γ-c2s的晶面指数(100)表面模型，真空层为2.0nm，分别将两个h2o分子用两个co2分子取代，其中一个co2被放置于邻近表面层，另一个co2分子被放置于本体溶液中，建立a×b×c=13.56×10.16×44.00å的模型；

18、以活化hco3-离子的γ-c2s的晶面指数(100)表面模型，真空层为2.0nm，分别将一个h2o分子用hco3−离子取代，建立a×b×c=13.56×10.16×44.00å的模型。

19、进一步地，所述步骤s2通过模拟优化软件cp2k进行分子动力学计算，输出文件包括cp2k.out和结构pdb文件。

20、进一步地，所述步骤s3.1.1初始碳酸化后co2分子和hco3-离子的结构变化具体为：

21、在β-c2s(100)表面，co2分子逐渐接近表面，co2分子发生偏转并向表面o离子靠近，受到活化的co2分子由直线型转变为弯折型，与表面o离子发生键合的si对应的si-os键被拉长；

22、在γ-c2s(100)表面，co2分子通过结合h2o分子进行活化，形成hco3-并使表面硅氧四面体发生羟基化，当h2o分子发生解离，解离后的羟基与co2分子结合，c-ox键长被拉长，对应si-os键被拉长；

23、在β-c2s(100)表面，hco3-离子中h逐渐向表面o离子靠近，离子中c-o1和c-ox被缩短和拉长，对应si-os键被拉长，co32-离子与表面ca和h2o分子结合；

24、在γ-c2s(100)表面，h2o分子靠近hco3−离子中的h时，发生氢转移，h从本体转移到h2o分子上，原来h2o上的一个h转移到另一个h2o分子上。

25、进一步地，所述步骤s3.1.2，采用温和元动力学模拟作为增强采样措施，获取不同晶型碳酸化路径所需的热力学能垒，研究二维势能面图以及原子结构来解释两种机制的差异。

26、进一步地，所述步骤s3.2所揭示的初始碳酸化反应活性的差异具体为：

27、在β-c2s(100)/h2o-co2体系中，co2分子从表面离子和h2o分子中得到0.097e的电子，表面ca离子的电子失去了0.039e；

28、在γ-c2s(100)/h2o-co2体系中，co2分子在受到h2o分子活化后，对应的o1、o2和ow不断得到电子，而co2分子中的c与表面ca离子在失去电子；

29、在β-c2s(100)/h2o-hco3-体系中，解离的h与co32−离子开始发生电荷转移，o2与表面ca离子、表面h和邻近的一个h2o分子发生电荷转移，co32−离子中的o1的结合状态发生改变，从与三个h2o分子发生结合转变为与一个h2o分子和表面h的结合；

30、在γ-c2s(100)/h2o-hco3-体系中，电荷从表面ca离子和周围h2o分子中的h原子转移到hco3−离子的o上，hco3−离子中电荷从c向三个o转移。

31、进一步地，所述步骤s4得出的结论具体为：

32、在β-c2s(100)/h2o-co2体系co2通过与表面o离子与表面ca形成稳定碳酸氢盐络合物；

33、在γ-c2s(100)/h2o-co2体系co2通过与水中o离子形成hco3-并与表面ca结合形成碳酸氢盐络合物；

34、在β-c2s(100)/h2o-hco3−体系中初期碳酸化反应活跃，水分子表现更强的溶剂化作用，形成稳定碳酸盐络合物层，阻碍碳化反应；

35、在γ-c2s(100)/h2o-hco3−体系中与水分子发生质子转移，与水分子发生氢键作用，形成稳定的溶剂化结构。

36、进一步地，采用vasp计算程序，其几何结构优化参数：均采用广义梯度近似泛函对交换相关势近似，不同晶体模型优化至能量差和力差分别小于1×10-5ev/atom和0.03ev/å，截断能为600ev。

37、进一步地，vasp计算后得到的chgcar、aeccar0和aeccar2文件，进行数据后处理得到电荷文件。

38、本发明解决了现有技术中难以表征c2s碳化中co2分子和hco3-离子活化这一关键步骤机理难以预测的现状，创新性地通过元动力学来揭示反应自由能表面，从而定量地了解反应路径，为水泥基材料设计开拓性地提供了一种数字化研究的思路。通过研究二氧化碳及碳酸分子在c2s不同晶型表面的初始反应和分子与表面之间的相互作用，揭示其酸激发水化机制和碳化机制，这对于实现高碳化性能高稳定性碳封存材料以及理解其碳化行为具有重要的意义。本发明的预测方法，从纳观层面揭示碳化反应机理，能够定性地了解电子转移和成键情况，为水泥基材料设计开拓性地提供了一种数字化研究的思路。