高压下预测新型水合二氢离子[H4O]2+

The ionization of water is one of the emphases in chemical textbook. Normally we consider the products of water ionization are hydronium (H3O+) and hydroxyl (OH-). Theoretically, hydronium can accept one more proton to be protonated hydronium dication ([H4O]2+). However, owing to the electrostatic repulsion, protonated hydronium dication is hard to exist at atmospheric pressure. Our project expects to introduce external pressure to offset electrostatic repulsion to form thermodynamic stable compounds. Two systems are expected with protonated hydronium dication: the high-pressure induced solid reaction between water and acid hydride and the self-ionization of water at high pressure and high temperature. The former uses genetic algorithm to explore structures of variable compounds; then introduces density functional theory and chemical bonding analysis to identify its bonding relationship and physical or chemical properties; finally takes diamond anvil cell to synthesize the sample and verify the structures. The later uses molecular dynamic simulation to explore the self-ionization of water at high pressure and high temperature and analysis the effects of isotopes. Our project researches the high-pressure-induced formation condition and stability of protonated hydronium dication, and explores the ionization product of water in extreme environment. It can have an impact on our understanding of acid base theory and proton transfer in fundamental chemistry.

水的电离是化学教科书中的重要内容。一般情况我们认为水电离只生成水合氢离子(H3O+)和氢氧根离子(OH-)。理论上水合氢离子还可以再结合一个质子，形成水合二氢离子([H4O]2+)，但是因为静电斥力，水合二氢离子在常压下难以稳定存在。本项目通过外界压力抑制水合二氢离子的内部静电斥力，从而形成热力学稳定的化合物，预期在水和酸性氢化物的高压固相反应和水在高温高压的自电离过程中发现水合二氢离子。前者基于遗传算法进行变组分晶体结构搜索，而后通过密度泛函理论计算和化学键分析方法分析其成键关系及物理化学性质，结合使用金刚石对顶砧实验合成相关样品并进行结构表征。后者通过分子动力学手段模拟水的自电离过程，并分析同位素效应在该过程中的影响。本项目探索水合二氢离子在高压下的生成条件和稳定性，研究极端条件下水的电离模式，可能对基础化学领域的酸碱理论和质子转移理论提供重要的补充和参考。

水的电离是化学教科书中的重要内容。一般情况我们认为水电离只生成水合氢离子(H3O+)和氢氧根离子(OH-)。理论上水合氢离子还可以再结合一个质子，形成水合二氢离子([H4O]2+)，但是因为静电斥力，水合二氢离子在常压下难以稳定存在。本项目通过高压手段抑制水合二氢离子的内部静电斥力，从而诱导形成热力学稳定的化合物。经过第一性原理和结构预测发现，将强酸性水合物如H2O-HF体系置于高压下，确实会出现水合二氢离子。进一步研究表明，这种高压特有的新型水合氢离子在若干强酸性水合物体系中都有出现，说明其存在并不是孤例，同时也表明水合二氢离子可以作为一个强酸性的标度来研究固体体系中给质子能力随压力的变化。.此外，本项目也关注其他相关的水合物体系在高压下的新结构和新性质。我们通过第一性原理计算，在水合硅酸盐体系中发现了新的水合硅酸镁结构，Mg2SiO5H2，分析了其在早期地球核幔分离过程中作为储水矿物的可能性，为地球上水的起源提供了新的思路。这篇工作被Phys. Rev. Lett.期刊列为编辑精选，Physics杂志特邀为其撰写专题评论文章，评价其为“具有潜在应用价值的创新”。基于本项目共发表成果论文11篇，其中一作通讯文章8篇，多篇文章发表在Phys. Rev. Lett., Angew. Chem.等物理或化学领域国际高水平期刊上。.本项目致力于探索新型水合物在高压下的生成条件和稳定性，研究极端条件下水的电离模式，可能对基础化学领域的酸碱理论和质子转移理论提供重要的补充和参考，并为研究行星科学中的许多关键科学问题提供新的思路。