Understanding the Mechanisms of CaO Carbonation: Role of Point Defects in CaCO3 by Atomic-Scale Simulations

碳化作用 空位缺陷 晶体缺陷 扩散 方解石 原子单位 化学物理 材料科学 从头算 原子扩散 化学 结晶学 热力学 矿物学 物理 复合材料 有机化学 量子力学
作者
Rémy Besson,Loïc Favergeon
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:118 (39): 22583-22591 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jp506102c
摘要

In order to improve our understanding of the mechanisms underlying the carbonation of CaO by CO2, a practically important reaction, we present a detailed atomic-scale study, by means of ab initio density functional calculations, of the point defect properties in calcite CaCO3. We perform a thorough investigation of the chemical potentials relevant in experimental conditions. Focusing on C and O defects closely related to CO2 diffusion, we point out the absence of interstitial C except possibly in complex form with other defects, whereas interstitial O is found stable. Whereas O and C vacancies are not significant in neutral form at low temperature, their role is clearly revealed when charged states are included. The formation energies of O and C vacancies, together with the profiles of chemical potentials across the growing calcite layer, are consistent with joint C and O diffusion by separate vacancy mechanisms of roughly equal amplitudes. As regards the possible influence of complex point defects, our results suggest that interstitial diffusion of CO2 is unfavorable. Conversely, the strong binding of the CO2 vacancy may enhance CO2 diffusion.
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