Interfacial water structure effect on CO2 solubility in water-saturated silica confinements: A molecular perspective
Notice bibliographique
Résumé
Hypothesis Solubility trapping is a key mechanism in geological carbon sequestration (GCS), yet CO 2 solubility in water-filled nanopores often deviates markedly from bulk behavior. We hypothesize that variations in CO 2 solubility within silica nanopores originate from differences in interfacial water structure that are controlled by surface chemistry. In particular, specific Si-OH arrangements on Q2, Q3, and Q4 silica surfaces (defined by the number of Si atoms bonded through oxygen to a central Si atom) modulate hydrogen-bonding (HB) environments and adsorptive volumes that regulate CO 2 -water-solid interactions. Simulations We conducted molecular dynamics simulations of water-saturated Q2, Q3, and Q4 silica confinements under representative GCS conditions. Interfacial density profiles, HB distributions, and CO 2 spatial probability maps were analyzed to quantify fluid-solid interactions and to evaluate CO 2 solubility relative to bulk water. Findings Hydrophilic Q3 surfaces exhibit enhanced CO 2 solubility compared to the bulk liquid, arising from CO 2 -water co-adsorption facilitated by a dense interfacial HB network. Hydrophobic Q4 confinements, by contrast, show pronounced over-solubility dominated by strong direct CO 2 adsorption within enlarged low-HB regions. Q2 surfaces display intermediate behavior reflecting mixed hydrophilic-hydrophobic character. We introduce two mechanistic descriptors, adsorptive volume and HB site density. High HB site density promotes hydrophilicity and co-adsorption, whereas large adsorptive volume favors direct CO 2 adsorption and over-solubility. Overall, these results demonstrate that CO 2 solubility in silica nanopores is jointly governed by interfacial water structure and surface chemistry. The findings provide molecular-scale insights into solubility trapping in silica-rich formations and inform the design of engineered materials for CO 2 capture and storage.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
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| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
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