水分活度控制無定形碳酸鈣鎂和碳酸鎂的穩定性

由于平衡相對濕度（ERH）和水分活度（aw）都被定義為空氣中水蒸氣的分壓與特定壓力和溫度下的蒸汽飽和壓力（p/p0）之比，我們應用ERH?100 aw的近似值并控制相對濕度條件來評估水分活度對鈣鎂固溶體中無定形碳酸鹽相轉化速率和途徑的影響。鎂含量和水分活度交叉影響的表征與我們對生物礦化途徑、水限制環境中的礦物穩定性、礦物中的二氧化碳儲存以及無定形碳酸鹽作為功能納米材料在制藥工業、3D打印和水泥中的應用的理解有關。

該工作次首系統研究了相對濕度（水分活度aw）對鈣鎂固溶體中無定形碳酸鹽相穩定性和轉化途徑的影響，研究時間跨度>3個月。我們表明，在碳酸鹽表面以物理吸附水薄膜形式存在的水的可用性對于控制吸濕性無定形Ca?Mg碳酸鹽相的穩定性至關重要，并且對ACMC穩定性的控制比Mg含量更大。通過限制空氣中水的活性，可以在標準溫度（相對濕度≤53%）下長期保存（>7個月）合成的、亞穩態的、無定形的Ca?Mg和Mg碳酸鹽以及球霰石。鑒于生物源ACC和ACMC在數月到數年內是穩定的，我們認為有限的離子傳輸條件在這種穩定中起著重要作用，這些發現對利用仿生功能材料作用的行業具有重要意義。在較高水分活度（aw：0.75?1）的條件下，超過了物理吸附水的閾值，從而加速了無定形和結晶鈣鎂碳酸鹽的溶解-再沉淀。有趣的是，我們發現接近白云石成分（x=0.45）的ACMC仍然是最難轉化的。加速轉化的閾值在>75%相對濕度下受到XRD數據的很好限制。最后，在水薄膜內形成的轉化產物顯示出更多樣化的相組合，即與本體溶液中的等效研究相比，更多相的共沉淀和高水合碳酸鈣和碳酸鎂相的持久時間更長。這表明，ACMC在水限制條件下的基本行為不同于在本體溶液中的行為，水分活度應被視為控制轉化途徑的關鍵參數。

無定形碳酸鹽越來越被認為是環境溫度下生物礦化和非生物碳酸鹽沉淀的重要前體。了解影響無定形鈣、鈣鎂和鎂碳酸鹽（ACC、ACMC和AMC）穩定性的條件和因素對于了解生物體如何控制生物礦化、功能性碳酸鹽納米材料的產生以及增強工程和天然二氧化碳儲存過程至關重要。在這里，我們通過在5至98±2%的相對濕度（RH）下使成分為0.16≤x≤1的無定形碳酸鹽Ca1-xMgxCO3·nH2O反應，限制了前驅體成分（Mg含量）和物理吸附水對ACMC反應速率和結晶途徑的交叉影響。我們報告了合成無定形碳酸鹽相在≤53%相對濕度下的持久性，其時間尺度與生物源ACC和ACMC相似（≥7個月）。相比之下，在98%相對濕度（aw～1）下，ACMC的所有成分在30天前都會發生結晶相轉變，在75%相對濕度下，高鎂前體和低鎂前體在210天前都會出現結晶相轉變。這些結果表明，在75%至98%相對濕度之間產生的物理吸附H₂O的閾值量有助于結晶，這表明在沒有大量水的情況下，非晶材料中的結構H₂O不是重結晶的主要因素。

Water Activity Controls the Stability of Amorphous Ca–Mg- and Mg-Carbonates. Avni S. Patel, Maija J. Raudsepp, Sasha Wilson, and Anna L. Harrison. Crystal Growth & Design 2024 24 (5), 2000-2013. DOI: 10.1021/acs.cgd.3c01283