湖南大学史才军院士团队2026年6月CCR：深度解析氯离子固化的方式：“物理吸附”与“化学键合”
2026-04-09 16:55:02
作者：本网发布 来源：砼科
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氯离子固化的方式：“物理吸附”与“化学键合”的差异
论文：Physical adsorption and chemical binding of chloride in the laminate and interlayer of recrystallized hydrotalcite钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性失效的“头号杀手”，而氯离子是诱发锈蚀最主要的侵蚀介质。在混凝土中添加能高效结合氯离子的材料，是延长结构寿命的关键策略。层状双氢氧化物因其独特的层状结构与阴离子交换能力，被视为极具潜力的“氯离子捕捉剂”。然而，一个根本性问题长期存在：水滑石捕获的氯离子，究竟是通过化学键牢牢锁在层间，还是仅通过物理吸附松散地挂在表面？前者稳定可靠，后者则可能在环境变化时重新释放，成为潜在的“定时炸弹”。湖南大学史才军院士团队一项发表于《Cement and Concrete Research》的研究，通过精密的对比与分离实验，首次成功定量区分并动态追踪了水滑石中物理吸附与化学结合氯离子的行为。研究揭示，看似简单的“氯离子结合”背后，隐藏着复杂而动态的竞争与转化机制。
1. 创新方法：分离“表面”与“层间”的氯
研究采用煅烧-再结晶水滑石作为模型材料。煅烧破坏其层状结构，再将其浸入NaCl溶液，使其在吸附氯离子的同时重建层状结构。这模拟了实际应用中水滑石的活化过程。总氯结合量：直接测量CLDH从溶液中吸附的总氯离子。脱附氯离子量：将吸附后的样品用去离子水反复冲洗，测量洗脱下来的氯离子。这部分理论上应主要是物理吸附的氯离子，但也可能包含从层间脱附出来的化学结合氯离子。通过对比这两个量，并结合XRD、FTIR、TG-DTG等微观分析，研究者成功“剥离”了不同结合态氯离子的贡献。
2. 核心发现：动态、竞争与转化的三重奏
发现一：快速吸附脱附
CLDH对氯离子的吸附在1小时内迅速达到平衡。此时，氯离子通过化学键进入层间，也通过物理作用吸附在带正电的层板表面。然而，平衡并非终点。研究发现，在吸附1小时后，层间化学结合的氯离子会发生显著的脱附，脱附率最高可达60%！这是由于溶液中羟基离子的竞争导致的离子交换。
发现二：物理吸附的特性
如果不考虑上述脱附，物理吸附的氯离子约占总结合量的50%。但当计入从层间脱附出来的那部分氯离子时，物理吸附的表观贡献可飙升至85%。这意味着，早期许多研究可能严重高估了物理吸附的“纯净”比例，同时低估了化学结合氯离子的不稳定性。
发现三：浓度比是关键
物理吸附与化学结合的相对主导地位，并非一成不变，而是由溶液中[Cl⁻]/[OH⁻] 浓度比这一关键参数调控：低氯高碱：当Cl⁻浓度低于OH⁻时，OH⁻竞争力强，能有效占据层间位点，化学结合占主导，且结合较稳定（脱附少）。高氯低碱：当Cl⁻浓度反超OH⁻时，大量Cl⁻通过物理吸附覆盖在表面。同时，虽然进入层间的Cl⁻增多，但后续被OH⁻竞争置换而脱附的风险也增大。
3. 微观机制：层间空间的“攻防战”
研究通过XRD、FTIR等手段，揭示了层间氯离子行为的微观机制：“填空”与“置换”：在层间未饱和时，OH⁻可直接嵌入空位，不发生置换。在层间饱和后，OH⁻必须通过离子交换挤走已结合的Cl⁻才能进入，这就是化学结合氯脱附的根源。结构变化：化学结合Cl⁻的脱附几乎不改变水滑石的层间距，因为脱附留下的空隙会被进入的OH⁻和水分子迅速填充补偿。而物理吸附的大量Cl⁻会“糊”在晶体表面，干扰X射线探测，导致测得的结晶度下降、晶格参数紊乱。
4. 对混凝土工程的深远启示
这项基础研究为水滑石在混凝土中的精准应用提供了关键指导：理性看待结合能力：水滑石的氯离子“结合量”≠“固定量”。高达60%的化学结合氯可能被OH⁻置换重新释放。在设计氯离子固化方案时，必须考虑混凝土孔隙液高碱性环境的长期影响。优化使用策略：在氯离子侵入的前沿区域（[Cl⁻]/[OH⁻]较高），水滑石能通过物理吸附快速“缓冲”大量氯离子。但在长期高碱度的内部区域，其稳定固化能力可能受限。因此，将其与其他固化机制（如化学键合更强的AFm相）复合使用可能是更优策略。指导材料设计：通过调控水滑石的层板元素组成、层间预插阴离子，或许可以增强其对Cl⁻的选择性、提高化学键合稳定性，从而设计出下一代高性能氯离子捕捉剂。
5. 结论
这项研究如同一场精密的“化学侦探”，揭开了水滑石固氯过程的神秘面纱：氯离子结合是物理吸附与化学键合并存、且动态竞争的过程。羟基离子是强大的“竞争者”，能导致大量化学结合氯的二次释放，这挑战了以往认为层间氯很稳定的观点。溶液化学环境（尤其是[Cl⁻]/[OH⁻]）是决定哪种机制主导的总开关。这些发现促使我们以更审慎、更科学的态度，去开发和评估用于钢筋混凝土防护的“智能”功能材料，从而为实现基础设施的百年耐久目标提供更坚实的科学基础。
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