水蒸气调控石英与方解石表面Nujol吸附/解吸行为的近常压XPS与AFM研究

本研究针对增强采油(EOR)和催化应用中油/基底界面稳定性的关键问题，通过近常压X射线光电子能谱(NAP-XPS)和原子力显微镜(AFM)技术，揭示了水蒸气(2 mbar)和超高真空(UHV)环境下Nujol油膜在SiO2(001)与CaCO3(104)表面的动态演变规律。研究发现方解石表面油组分在UHV中减少20%，水蒸气暴露后减少60%，而石英界面化学组成稳定但形貌重组，为水驱油机制提供了分子尺度证据。

　　

在石油开采和催化转化领域，油与矿物界面的稳定性直接决定资源回收效率。当油膜覆盖岩石表面时，水分子能否穿透油层与矿物作用？这一微观过程长期缺乏直接观测证据。石英(SiO₂)和方解石(CaCO₃)作为油气储层的主要矿物组分，前者以硅氧四面体结构著称，后者因表面Ca²⁺活性位点易与水作用，但两者对烃类分子的锚定机制差异尚不明确。传统研究多采用宏观吸附测试，无法揭示界面反应的动态过程。

为破解这一难题，国外研究团队选择医用级石蜡油Nujol(C_nH_2n+2,n≈12)作为模型烃类，通过浸渍法在SiO₂(001)和CaCO₃(104)表面构建2-4 nm油膜。创新性地组合近常压X射线光电子能谱(NAP-XPS)和原子力显微镜(AFM)，首次实现从超高真空(10^-10 mbar)到水蒸气环境(2 mbar)的界面化学与形貌原位监测。

关键技术方法
研究采用LEGEP MINERA??O提供的天然方解石，沿(104)晶面解理获得洁净表面；SiO₂(001)单晶经金刚石切割后超声清洗。通过浸渍法构建Nujol薄膜，利用NAP-XPS实时监测C 1s、O 1s、Ca 2p等特征峰位移，结合AFM观察形貌演变。特别设计"先UHV后水蒸气"的分阶段实验，12小时UHV处理后引入2 mbar去离子水蒸气(DW)，追踪界面动态响应。

结果与讨论
化学组成演变
XPS数据显示：SiO₂界面C含量在UHV和水蒸气处理中保持稳定，表明Si-O键与烷烃作用较弱；而CaCO₃界面C信号在UHV中下降20%，水蒸气暴露后骤减60%，证实CO₃^2-基团通过氢键与水分子的竞争效应主导油膜解吸。

形貌重构特征
AFM揭示：SiO₂表面油膜从连续态转为簇状分布，反映水诱导的油相分离；CaCO₃表面则经历"连续→碎片化→重排"三级转变，12小时UHV导致油膜断裂，后续水蒸气暴露引发Ca²⁺位点暴露区域的油滴聚集。

结论与意义
该研究首次阐明水分子在矿物/油膜界面的双重作用：对于惰性石英表面，水主要引发油相物理重组；而对于活性方解石表面，水通过竞争吸附直接削弱油膜结合力。这一发现为低盐度水驱技术(LSW)提供了理论支撑——针对碳酸盐岩储层，调控水化学性质可显著提升采油效率。论文发表于《Vacuum》，其多尺度表征方法为催化反应中烃类/载体界面研究建立了新范式。