天然有机物活性基团-粘土表面络合作用的计算模拟研究

Microscopic mechanisms of clay surfaces-organic groups interactions are of fundamental importance to the understanding of both the physical chemistry of natural organic matters (NOMs)-clay complexes and their geological-geochemical properties and behaviors. By analyzing the physics of those interfacial interactions, integrating the present research focus of international community and on the basis of our experience in interface science of clay minerals and atomistic simulation methods, we propose to investigate the key scientific problem of “microscopic mechanism of complexation of natural organic active groups on montmorillonite surfaces” by using quantum molecular dynamics and the related free energy, acidity and redox potential calculation techniques. We plan to select carboxylate and quinone species as the representative model groups. We will firstly investigate their complexing sites, complexes structures, free energies and the effect of pH-Eh on their stability; based on that we will reveal the influence of organics complexation on the reactivity of clay surfaces. This study will provide fundamental data and models for the understanding of physical chemistry and geological-geochemical behaviors of NOMs-clay complexes and quantitative support for the study of global carbon cycle.

粘土表面-有机基团之间相互作用的微观层次机理不仅对认识天然有机粘土复合体本身的物理化学属性，也对认识其地质地球化学属性和行为具有重要的基础研究意义。通过对有机基团-粘土表面相互作用底层物理的剖析，结合国内外学界的研究焦点和现状，基于课题组自身在粘土表界面科学和原子模拟方法的研究积累，申请人提出引入先进的量子分子动力学方法以及基于该方法的自由能、酸度、氧化还原电位计算技术，主攻“天然有机物活性基团在蒙脱石表面的微观络合机理”这一关键科学问题。拟选取羧酸和苯醌作为模型有机基团，计划系统研究它们在粘土表面（包括基面和端面）的络合结构和自由能，查明稳定的表面络合位置、络合物结构以及环境pH-Eh对其热力学稳定性的影响，并在此基础上揭示有机物质表面络合对粘土矿物表面反应性的影响,为认识天然有机粘土复合体的物化性质及地质地化行为提供模型、数据，为全球碳循环研究提供定量化支持，推动粘土表界面科学发展。

天然有机质-矿物表面之间的相互作用机理对认识有机质-矿物复合体的属性、行为以及全球碳循环具有重要意义。本课题采用量子力学和经典力学模拟以及先进的自由能、酸度计算技术，系统研究了天然有机质的主要活性基团（羧基，磷酸根，醌基等）在常见粘粒矿物（粘土矿物、针铁矿、纤铁矿等）的表面络合，计算获得了天然有机质活性基团发生络合的位点、结构和自由能，评价了这些结合的热力学稳定性。在此基础上，我们计算了有机质活性基团在这些矿物表面主要结合位点的一套力场参数，并提出了构建矿物-天然有机质复合体的分子层次模型的方法。本课题研究的成果为认识天然有机质在自然界中的赋存和演化提供了基础数据和理论模型。