Молекулярно-динамическое исследование поведения гидратированного NO2 на поверхности портландита Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Молекулярно-динамическое исследование поведения гидратированного NO2- на поверхности портландита

Е. Тарарушкин1, В. Писарев1'2, А. Калиничев3

¡- Международная лаборатория суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ, Россия, г. Москва, ул. Таллинская, д. 34 2- Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13 стр. 2 3- Laboratoire SUBATECH (UMR 6457 - IMT-Atlantique, Université de Nantes, CNRS), France, Nantes, 4 Rue

Alfred Kastler

evgeny. tararushkin @yandex. ru

При производстве цементных бетонов добавки NaNO2 и Ca(NO2)2 применяются в качестве ингибитора коррозии стальных элементов в железобетонных конструкциях, а также в качестве противоморозной добавки. Адсорбция гидратированного иона NO2- на поверхностях цементных минералов и возможное последующее связывание может негативно сказаться на защитных свойствах стальных элементов [1]. Портландит, Ca(OH)2, является одной из наиболее важных кристаллических фаз гидратированного портландцемента, которая обеспечивает высокощелочную среду в бетоне (pH=12.5-13). Адсорбция гидратированных ионов NO2- поверхностью портландита приводит к снижению концентрации свободных ионов в поровом пространстве бетона и, как следствие, к снижению защитных функций. Поэтому возникает необходимость понимания поведения гидратированных ионов NO2- в межслоевом пространстве портландита на фундаментальном атомистическом уровне.

В данной работе представлены результаты молекулярно-динамического моделирования системы портландит - водный раствор NaNO2. Моделирование выполнялось с помощью силового поля ClayFF [2], позволяющего адекватно учесть значительный вклад структурного и композиционного беспорядка при взаимодействии различных молекул и ионов с гидратированными поверхностями слоистых минералов, таких как глинистые и цементные, и моделировать различные свойства таких систем в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными. Недавняя модификация модели ClayFF вводит выражение для энергии в явном виде колебания углов между связями атом металла-кислород гидроксильной группы и кислород-водород (M-O-H) в структуре и на поверхности минералов [2]. Такая модификация позволяет точнее моделировать свойства поверхностей и краев частиц. В кристаллической структуре портландита присутствует угловая связь типа M-O-H, а именно, Ca-O-H, что оправдывает моделирование с этой модификацией силового поля.

В результате моделирования были изучены структурные и динамические свойства водного раствора NaNO2 межслоевом пространстве портландита, а также колебательные спектры как портландита, так и в отдельности молекул воды и гидратированных ионов. Положение основных пиков колебательных спектров портландита и иона NO2- показали хорошее соглашение с результатами ИК- и Рамановской спектроскопий. Кроме того, исследовалась структура и динамика водородных связей, как в приповерхностной зоне межслоевого пространства, так и в его объеме. В результате моделирование показано, что, несмотря на формирование устойчивой сетки водородных связей молекулами воды на поверхности (001) портландита, на ней возможна адсорбция ионов NO2-, при этом особая координация адсорбированных ионов NO2- отсутствует.

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в 20192022 годах. Исследование выполнено с использованием суперкомпьютерного комплекса НИУ ВШЭ [3].

[1] J. Tritthart and P. Banfill, Nitrite binding in cement, Cement and Concrete Research, 31, p. 1093-1100, (2001).

[2] R. Cygan, J. Greathouse and A. Kalinichev, Advances in ClayFF molecular simulation of layered and nanoporous materials and their aqueous interfaces, The Journal of Physical Chemistry C, 125(32), p. 17573-17589, (2021).

[3] P. Kostenetskiy, R. Chulkevich and V. Kozyrev, HPC Resources of the Higher School of Economics, Journal of Physics: Conference Series, 1740, 012050, (2021).