三价镧盐在超临界水中的成核生长机制：分子动力学模拟揭示其沉积行为与热力学稳定性

《The Journal of Supercritical Fluids》：Molecular dynamics simulation of lanthanum(III) chloride nucleation and growth mechanisms in supercritical water

本文通过分子动力学模拟（MD）系统研究了三价镧系盐LaCl3在超临界水（SCW）中的成核生长机制。研究发现LaCl3成核过程可分为离子对-小团簇-大团簇三阶段（40 ps内完成），成核速率达1030 cm-3·s-1量级。高温低密度条件通过削弱LaCl3-H2O结合能、破坏氢键网络和提升离子扩散系数促进成核，而La3+的高电荷与三层溶剂化壳结构赋予团簇优异热稳定性，为放射性废水处理中盐沉积问题的解决提供理论依据。

　　

亮点

模拟细节

本研究采用GROMACS 2018对超临界水中的LaCl₃进行分子动力学模拟。通过Python脚本构建了包含4000个水分子、50个La³⁺离子和150个Cl^-离子的立方盒子，离子初始随机分布并保持与周围原子的安全距离。如表1所示，系统密度范围为0.1-0.3 g/cm³，温度范围为673-1073 K。

结合能分析

我们对不同条件下LaCl₃-H₂O体系的结合能（E_bind）和静电能量差（ΔE_elect）进行了系统分析。图1清晰表明，结合能随温度升高而降低，随密度增加而逐渐上升，说明高温会削弱LaCl₃-H₂O相互作用，而密度增加则会增强它们的关联。ΔE_elect随温度升高呈现显著下降趋势但保持...

结论

本工作通过分子动力学模拟，系统研究了三价镧系盐（LaCl₃）团簇在超临界水中的成核和生长机制，并在相同超临界水条件下与单价普通盐（NaCl）进行了对比分析。主要结论如下：

(1) 在超临界水中，LaCl₃的成核和生长经历三个连续阶段：初始离子对形成、随后的小团簇组装以及最终的大团簇发展。在...