A General Mechanism for Gel Layer Formation on Borosilicate Glass under Aqueous Corrosion
A General Mechanism for Gel Layer Formation on Borosilicate Glass under Aqueous Corrosion
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水腐蚀下硼硅酸盐玻璃凝胶层形成的一般机制
DOI：
10.1021/acs.jpcc.9b10491
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Gin S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Gin S
矿物和玻璃的溶解是一个已经深入研究但尚未完全理解的科学主题;它仍然是地球化学和材料科学界的极大兴趣。如果界面溶解/再沉淀机制似乎适用于大多数硅酸盐矿物，关于玻璃的争论仍然是开放的。在这里，我们研究了两个模型玻璃，三元硼硅酸盐（CJ 1）和相同的玻璃掺杂4.1摩尔%的氧化铝（CJ 2）。在90 °C、pH 9下，以及在相对于无定形二氧化硅而言远离和接近饱和的条件下改变两种玻璃，以确定初始速率和残余速率。此外，一个特定的实验进行了一个短的时间内与18 O和29硅同位素高度富集的溶液，以了解如何钝化凝胶形成。SEM，TEM，和ToF-SIMS表征沿着与Monte Carlo模拟被用来理解的速率限制反应在发挥作用，并推断Al的作用。我们发现，Al产生一个缓慢的基质溶解在稀条件下。然而，它减缓了钝化凝胶的形成和成熟，并有利于通过Si和Al实体的部分水解，然后通过原位重组/松弛成多孔网络来改变。出乎意料的是，CJ 1经历了界面溶解/再沉淀和部分水解，然后在一个单一的实验过程中的硅酸盐网络的原位重组。这项研究提供了一个统一的概念，可以铺平道路，为未来发展的预测动力学模型的基础上，详细描述的键断裂和键形成的功能的玻璃组合物和蚀变条件。
Mineral and glass dissolution is a scientific topic that has been deeply investigated but is not understood completely; it continues to be of great interest in the geochemical and materials science communities. If the interfacial dissolution/reprecipitation mechanism seems to be applicable to most silicate minerals, the debate remains open concerning glass. Here, we studied two model glasses, a ternary borosilicate (CJ1) and the same glass doped with 4.1 mol % of Al2O3(CJ2). The two glasses were altered at 90 °C, pH 9, and in conditions far and close to saturation with respect to amorphous silica to determine the initial and residual rates. Moreover, a specific experiment was conducted for a short duration with a solution highly enriched with18O and29Si isotopes to understand how passivating gels form. SEM, TEM, and ToF-SIMS characterizations along with Monte Carlo simulations were used to understand the rate limiting reactions at play and infer the role of Al. We show that Al yields a slower matrix dissolution in dilute conditions. However, it slows down the formation and the maturation of the passivating gel and favors alteration by partial hydrolysis of Si and Al entities followed by in situ reorganization/relaxation into a porous network. Unexpectedly, CJ1 experienced both interfacial dissolution/reprecipitation and partial hydrolysis followed by in situ reorganization of the silicate network during the course of a single experiment. This study offers a unified concept that can pave the way for the future development of a predictive kinetic model based on a detailed description of bond breaking and bond forming as a function of glass composition and alteration conditions.
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