受限在约5-1000埃米（Å）孔径内的溶液称为受限溶液。受限溶液在分离科学、催化科学、矿物淋滤、矿物沉积、生物膜等众多领域发挥着重要作用，其结构和动力学特性受到广泛的关注。例如，在盐湖资源分离领域，理解限域溶液的结构与扩散行为可指导通过优化孔隙结构和孔道表面特性来实现对离子和水分子的输运行为精确控制，开发具有高效传质和分离性能的新介质。
青海盐湖所溶液结构与界面课题组采用X射线散射(XRS)和准弹性中子散射(QENS)等实验方法，在200-300 K温度范围内研究了孔径为18.7 Å的有序介孔碳(OMC)中毛细管冷凝水的结构和动力学性质。研究表明水的四面体网络结构受到了体积水结构的扰动，随着温度的降低，在受限水零下温度下趋于四面体的氢键网络结构。在230 K以下，部分六方冰Ih在OMC孔隙中形成。通过分析得出300 K时，水分子在OMC孔隙中的平动扩散与体积水相当，且随温度的降低而减缓。QENS数据分析表明水在疏水微孔中的扩散并未因空间限域而减慢，这与亲水性微孔中的扩散系数形成了显著对比。由于受限作用，水在OMC孔隙中的活化能(Ea)小于本体水，表明随着受限壁疏水性的增加，受限以较小的能量扩散。研究得出被限制在亲水界面或两亲界面中的水分子与亲水基团相互作用强烈，而被限制在疏水界面中的水分子倾向于聚集在孔隙的中心部分。弹性非相干结构因子(EISF)分析发现了受限水存在不移动和移动组分的证据。水分子表现出跳跃扩散行为，其跳跃长度与约束半径为a的球一致。通过QENS对具有疏水甲基和亲水氢氧基的两亲分子(MeOH)在有机-无机孔(Ph-PMO)和完全疏水孔(OMC)中的动力学特征进行分析，进一步从结构和动力学的角度研究受限液体分子与限域界面之间的相互作用规律，该工作发表在Journal of Molecular Liquids 2024,415,126316. DOI: 10.1016/j.molliq.2024.126316.
近年来，青海盐湖所溶液结构与界面课题组在国家自然科学基金、香港内部信封料一码稳定支持基础研究领域青年团队及青海省基础条件平台等项目的支持下，面向盐湖资源分离中的基础科学问题，从浓盐溶液结构、动力学与界面着手持续攻关，取得系列进展。从离子水合水分子的取向和及其平均滞留时间系统定义了碱金属与卤素离子的水化行为（The Journal of Physical Chemistry Letters 2023,14 (27),6270-6277. DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c01302.）。以冠醚为模型化合物，从微观结构层面揭示了冠醚选择性识别碱金属离子的化学本质（The Journal of Physical Chemistry B 2023,127 (21),4858-4869. DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c01875.）。为实现溶液界面相互作用的微尺度实验观测，以限域溶液为研究对象构建了多元数据（X射线散射+中子散射数据）驱动的全原子建模的固-液界面实验观测方法（Journal of Molecular Liquids 2023,388,122746. DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122746.），较好解决了含氢体系中子散射数据非弹性校正的难题（The Journal of Physical Chemistry B 2024,128 (30),7445-7456. DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c02826.）；以微液滴为研究对象，开发了超声波悬浮单液滴的微聚焦X射线散射测量方法，为液-气界面的原子尺度观测提供新方法。（Journal of Solution Chemistry 2023,53,610-625. DOI: 10.1007/s10953-023-01309-9.）。
水在限域在介孔碳中的结构与动力学行为
审核：年洪恩