封面文章 | 中南大学齐冲冲：基于密度泛函理论的硅酸钙水化活性差异研究

封面故事

普通硅酸盐水泥作为最主要的胶凝材料，具有能耗大、成本高的特点，探究水泥的水化活性是其高效使用的关键所在。封面将论文主要研究与中国武侠元素巧妙融合，两个人物分别代表了普通硅酸盐水泥的两个主要成分：硅酸二钙（C₂S）和硅酸三钙（C₃S），采用擂台对抗的方式生动展示出二者的水化活性差异。硅酸三钙因其具有某种特殊的氧原子结构，水化活性更胜一筹。封面在鲜明展示文章观点的同时弘扬中国传统文化，尽显中国风采！

文章信息

基于密度泛函理论的硅酸钙水化活性差异研究

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齐冲冲，徐新杭，陈秋松

Int. J. Miner. Metall. Mater.,  29(2022), No. 2, pp. 335-344.

https//doi.org/10.1007/s12613-021-2364-5

文章亮点1

从单胞、表面及水分子吸附的角度，系统对比了β-C₂S和M3-C₃S水化活性的差异。

文章亮点2

首次通过成键特性和Bader电荷对β-C₂S和M3-C₃S单胞的原子进行分类。

文章亮点3

分析对比了单胞优化、表面弛豫及水分子吸附后的硅酸盐内部及与水分子间的电子转移规律。

文章导读

普通硅酸盐水泥作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木工程、水利、胶结膏体回填等许多领域。虽然硅酸盐水泥对全球发展至关重要，但其生产却是十分耗能的。全球约5%~7%的二氧化碳排放与水泥生产有关。因此，水泥行业的当务之急是通过提高水化活性或降低生产温度来开发环保型水泥。然而，由于对水泥水化机理认识的不足，特别是水化活性差异，阻碍了目标的实现。

本文从单胞、表面、水分子吸附三个角度首次系统对比了β-C₂S和M3-C₃S的原子结构和Bader电荷，阐释了硅酸钙水化活性的差异，对水化活性的人为调控具有一定的实际意义，并为高活性和环保水泥的设计提供参考。

单胞：

在单胞优化后，Ca和Si原子失去电子，而O原子得到电子。通过结合原子结构和Bader电荷对β-C₂S和M3-C₃S的单胞原子进行了分类。在β-C₂S中，Si、Ca和O原子分别被划分为了1、2和4种类型。在M3-C₃S中，Si、Ca和O分别分为了3、4和4种类型。在M3-C₃S的单胞中观察到了一种特殊类型的O原子。它不与硅原子化学键合，其价电子数比β-C₂S和M3-C₃S中其他类型的O原子小。这可能是M3-C₃S活性更高的根本原因。

表面：

β-C₂S和M3-C₃S表面弛豫不仅会改变原子的位置，还会生成或破坏化学键。表面价电子分布比单胞分布的更加均匀，一些表面原子在弛豫后变得更具有活性。M3-C₃S的活性表面Ca/O位点比β-C₂S的活性更强，进一步证实了M3-C₃S的高水化活性，这与单胞的结果一致。

水分子吸附：

水的吸附后表面发生了更明显的重构，表面原子之间形成了不直接参与吸附的化学键。水分子解离吸附的价电子数变化大于分子吸附，并且在吸附后电子将从表面转移到水分子上，β-C₂S的电子增益/损失范围为−0.037 e⁻~ 0.135 e⁻，M3-C₃S的电子增益/损失范围为−0.365 e⁻~ 0.278 e⁻。因此，水分子在M3-C₃S表面吸附后获得了更多的电子。

最后，本文对未来水泥水化的研究工作进行了展望。文中指出，未来将结合分子动力学和密度泛函理论在表面进行多个水分子水化过程的综合研究，进一步解释活性和水化过程之间的相关性。

团队简介

中南大学“矿业固废资源化利用”课题组聚焦矿业固废综合利用及智能决策，研究方向涵盖典型矿业固废资源化处理、矿山膏体充填、固废胶凝材料开发、固废智能决策等方面，融合矿业工程、材料科学、量子力学、计算化学、凝聚态物理、信息科学等学科领域，在各行业前辈及同仁的指导帮助下，开展了一定的理论研究及技术研发，促进了我国矿业固废资源化技术的发展。

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《矿物冶金与材料学报（英文版）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2020 JCR影响因子为2.232，在冶金与冶金工程学科位于Q2区。2020 CiteScore为3.2，在材料科学-金属与合金类期刊中排名第41位（共153种期刊），位于Q2区前列。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。

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