多聚硼酸钾水溶液结构研究

本项目从发展柴达木循环经济战略需求的基础问题出发,选择溶解度较大的偏硼酸钾、四硼酸钾和五硼酸钾水溶液体系，拟开展全浓度范围的pH、电导率和粘度等结构敏感性质精确测量，确定溶液中物种组成；拟开展上述体系典型样品的FTIR、Raman和NMR等光谱学性质测量，进一步核实物种分布；基于大科学工程装置，用我们新近开发的同步辐射光源的X射线散射新方法，精确测量偏硼酸钾、四硼酸钾和五硼酸钾体系过饱和或高浓度水溶液的散射强度，由散射强度计算溶液结构函数和径向分布函数，由结果敏感性质获得的物种组成和几何模型计算，给出多聚硼酸根离子内各种B-O、B-B和O-O相互作用，钾离子与水分子的相互作用，水合阴离子B-H2O和O-H2O水合距离以及水合离子对相互作用。阐明过饱和溶液形成的结构原因,为青藏高原硼酸盐类型盐湖开发利用提供分子水平的理论依据。

本项目顺利完成了科学基金计划的各项研究任务。已经进行了溶解度较大的偏硼酸钾、四硼酸钾和五硼酸钾水溶液的结构和性质研究。首先，精确测量了全浓度范围和2个温度多聚硼酸钾溶液的结构敏感性质如pH、电导率和粘度等，并确定了溶液中复杂硼酸盐物种的分布；第二，获得了上述体系中关键样品的Raman和NMR光谱，进一步核实了不同多聚硼酸盐物种的分布曲线；第三，基于大科学工程装置，用我们新近开发的同步辐射光源X射线散射新方法，精确收集了偏硼酸钾、四硼酸钾和五硼酸钾体系过饱和或高浓度水溶液的散射强度，由散射强度计算了溶液结构函数和径向分布函数；第四，由物种分布曲线和几何模型计算给出了多聚硼酸根离子内ortho-B-O, meta-B-B, meta-O-O 和 para-B-O等距离和配位数，水合钾离子、水合阴离子和离子对分子或离子间的主要原子对K+-H2O, B-H2O and O-H2O间距和数目；第五，并进行了非晶水合硼酸盐的XANES和CPMD模拟的初步尝试；第六，并成功测量了非晶水合硼酸镍、氯化镍、硫酸镍和硝酸镍水溶液的EXAFS局域结构；第七,DFT计算获得了液相中常见的多聚硼酸根离子如B4O5(OH)42-、B(OH)4-、B3O3(OH)4-、B(OH)3、B3O3(OH)52-、B5O6(OH)4-和B6O7(OH)62-结构优化和Raman光谱振动频率，并与X射线散射实验和Raman实验一致。最后偏硼酸根离子水合簇结构计算表明，氢键可分为三大类和小六类，氢键的方向性和数目被很好地展示出来。该项目发表研究论文10篇，其中JPCA和JPCB各一篇，申请专利3项。