While ammonia and water readily form hydrogen-bonded molecular mixtures at ambient conditions, their miscibility under pressure is not well understood, yet crucial to model the interior of icy planets. We report here on the behavior of ammonia-water mixtures under extreme pressure conditions, based on first-principles calculations of 15 stoichiometries in the pressure range of 1 atm–10 Mbar. We show that compression facilitates proton transfer from water to ammonia in all relevant mixtures. This favors ammonia-rich hydrates above 1 Mbar, stabilized by complete de-protonation of water and the formation of the unusual structural motifs O2(NH4+)2 and O2(N2H7+)2. The hydronitrogen cations persist to the highest pressures studied. We predict a new ammonia-rich 4:1-hydrate at intermediate pressures and find that by 5.5 Mbar, close to the core-mantle boundary of Neptune, all cold ammonia-water mixtures are unstable against decomposition into their constituents.

1.
W. B.
Hubbard
and
J. J.
MacFarlane
,
J. Geophys. Res. Solid Earth
85
,
225
, https://doi.org/10.1029/jb085ib01p00225 (
1980
).
3.
L. A.
Young
,
S. A.
Stern
,
H. A.
Weaver
,
F.
Bagenal
,
R. P.
Binzel
,
B.
Buratti
,
A. F.
Cheng
,
D.
Cruikshank
,
G. R.
Gladstone
,
W. M.
Grundy
,
D. P.
Hinson
,
M.
Horanyi
,
D. E.
Jennings
,
I. R.
Linscott
,
D. J.
McComas
,
W. B.
McKinnon
,
R.
McNutt
,
J. M.
Moore
,
S.
Murchie
,
C. B.
Olkin
,
C. C.
Porco
,
H.
Reitsema
,
D. C.
Reuter
,
J. R.
Spencer
,
D. C.
Slater
,
D.
Strobel
,
M. E.
Summers
, and
G. L.
Tyler
,
Space Sci. Rev.
140
,
93
(
2008
).
4.
Y.
Sekine
,
H.
Genda
,
S.
Sugita
,
T.
Kadono
, and
T.
Matsui
,
Nat. Geosci.
4
,
359
(
2011
).
5.
L.
Noack
,
I.
Snellen
, and
H.
Rauer
,
Space Sci. Rev.
212
,
877
(
2017
).
6.
L.
Zhu
,
H.
Liu
,
C. J.
Pickard
,
G.
Zou
, and
Y.
Ma
,
Nat. Chem.
6
,
644
(
2014
).
7.
A.
Hermann
and
P.
Schwerdtfeger
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
4336
(
2014
).
8.
A.
Hermann
, in
Reviews in Computational Chemistry
, edited by
A. L.
Parrill
and
K. B.
Lipkowitz
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
Hoboken, NJ
,
2017
), pp.
1
41
.
9.
J.
Liu
,
Q.
Hu
,
D.
Young Kim
,
Z.
Wu
,
W.
Wang
,
Y.
Xiao
,
P.
Chow
,
Y.
Meng
,
V. B.
Prakapenka
,
H.-K.
Mao
, and
W. L.
Mao
,
Nature
551
,
494
(
2017
).
10.
S. C.
Zhu
,
Q.
Hu
,
W. L.
Mao
,
H. K.
Mao
, and
H.
Sheng
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
12129
(
2017
).
11.
L. R.
Benedetti
,
J. H.
Nguyen
,
W. A.
Caldwell
,
H.
Liu
,
M.
Kruger
, and
R.
Jeanloz
,
Science
286
,
100
(
1999
).
12.
C.
Cavazzoni
,
G. L.
Chiarotti
,
S.
Scandolo
,
E.
Tosatti
,
M.
Bernasconi
, and
M.
Parrinello
,
Science
283
,
44
(
1999
).
13.
Y.
Wang
,
H.
Liu
,
J.
Lv
,
L.
Zhu
,
H.
Wang
, and
Y.
Ma
,
Nat. Commun.
2
,
563
(
2011
).
14.
A.
Hermann
,
N. W.
Ashcroft
, and
R.
Hoffmann
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
745
(
2012
).
15.
T.
Palasyuk
,
I.
Troyan
,
M.
Eremets
,
V.
Drozd
,
S.
Medvedev
,
P.
Zaleski-Ejgierd
,
E.
Magos-Palasyuk
,
H.
Wang
,
S. A.
Bonev
,
D.
Dudenko
, and
P.
Naumov
,
Nat. Commun.
5
,
3460
(
2014
).
16.
S.
Ninet
,
F.
Datchi
,
P.
Dumas
,
M.
Mezouar
,
G.
Garbarino
,
A.
Mafety
,
C. J.
Pickard
,
R. J.
Needs
, and
A. M.
Saitta
,
Phys. Rev. B
89
,
174103
(
2014
).
17.
A. F.
Goncharov
,
V. V.
Struzhkin
,
M. S.
Somayazulu
,
R. J.
Hemley
, and
H. K.
Mao
,
Science
273
,
218
(
1996
).
18.
M.
Benoit
,
M.
Bernasconi
,
P.
Focher
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
2934
(
1996
).
19.
C. J.
Pickard
and
R. J.
Needs
,
Nat. Mater.
7
,
775
(
2008
).
20.
C. G.
Pruteanu
,
G. J.
Ackland
,
W. C. K.
Poon
, and
J. S.
Loveday
,
Sci. Adv.
3
,
e1700240
(
2017
).
21.
Y.
Wang
,
J.
Lv
,
L.
Zhu
, and
Y.
Ma
,
Phys. Rev. B
82
,
094116
(
2010
).
22.
Y.
Wang
,
J.
Lv
,
L.
Zhu
, and
Y.
Ma
,
Comput. Phys. Commun.
183
,
2063
(
2012
).
23.
G.-R.
Qian
,
C.-H.
Hu
,
A. R.
Oganov
,
Q.
Zeng
, and
H.-Y.
Zhou
,
Sci. Rep.
6
,
25947
(
2016
); e-print arXiv:1411.4513v1.
24.
M. D.
Segall
,
P. J. D.
Lindan
,
M. J.
Probert
,
C. J.
Pickard
,
P. J.
Hasnip
,
S. J.
Clark
, and
M. C.
Payne
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
2717
(
2002
).
25.
B.
Hammer
,
L. B.
Hansen
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. B
59
,
7413
(
1999
).
26.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
27.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
28.
A.
Otero-de-la Roza
,
E. R.
Johnson
, and
V.
Luaña
,
Comput. Phys. Commun.
185
,
1007
(
2014
).
29.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision A.02,
Gaussian, Inc.
,
2009
.
30.
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
31.
J. S.
Loveday
and
R. J.
Nelmes
,
High Press. Res.
24
,
45
(
2004
).
32.
A. D.
Fortes
and
M.
Choukroun
,
Space Sci. Rev.
153
,
185
(
2010
).
33.
M.
Asplund
,
N.
Grevesse
,
A. J.
Sauval
, and
P.
Scott
,
Annu. Rev. Astron. Astrophys.
47
,
481
(
2009
); e-print arXiv:0909.0948.
34.
A. D.
Fortes
,
I. G.
Wood
,
M.
Alfredsson
,
L.
Vočadlo
,
K. S.
Knight
,
W.
Marshall
,
M.
Tucker
, and
F.
Fernandez-Alonso
,
High Press. Res.
27
,
201
(
2007
).
35.
A. D.
Fortes
,
I. G.
Wood
,
L.
Vočadlo
,
K. S.
Knight
,
W. G.
Marshall
,
M. G.
Tucker
, and
F.
Fernandez-Alonso
,
J. Appl. Crystallogr.
42
,
846
(
2009
).
36.
C. W.
Wilson
,
C. L.
Bull
,
G.
Stinton
, and
J. S.
Loveday
,
J. Chem. Phys.
136
,
094506
(
2012
).
37.
J. S.
Loveday
and
R. J.
Nelmes
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
4329
(
1999
).
38.
J. S.
Loveday
,
R. J.
Nelmes
,
C. L.
Bull
,
H. E.
Maynard-Casely
, and
M.
Guthrie
,
High Press. Res.
29
,
396
(
2009
).
39.
C. W.
Wilson
,
C. L.
Bull
,
G. W.
Stinton
,
D. M.
Amos
,
M.-E.
Donnelly
, and
J. S.
Loveday
,
J. Chem. Phys.
142
,
094707
(
2015
).
40.
C.
Liu
,
A.
Mafety
,
J. A.
Queyroux
,
C. W.
Wilson
,
H.
Zhang
,
K.
Béneut
,
G.
Le Marchand
,
B.
Baptiste
,
P.
Dumas
,
G.
Garbarino
,
F.
Finocchi
,
J. S.
Loveday
,
F.
Pietrucci
,
A. M.
Saitta
,
F.
Datchi
, and
S.
Ninet
,
Nat. Commun.
8
,
1065
(
2017
).
41.
A. D.
Fortes
,
J. P.
Brodholt
,
I. G.
Wood
,
L.
Vočadlo
, and
H. D. B.
Jenkins
,
J. Chem. Phys.
115
,
7006
(
2001
).
42.
A. D.
Fortes
, “
Computational and experimental studies of solids in the ammonia-water system
,” Ph.D. thesis,
University College London
,
2004
.
43.
G. I.
Griffiths
,
A. J.
Misquitta
,
A. D.
Fortes
,
C. J.
Pickard
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
137
,
064506
(
2012
); e-print arXiv:1112.2636v1.
44.
X.
Jiang
,
X.
Wu
,
Z.
Zheng
,
Y.
Huang
,
J.
Zhao
, and
S.
Information
,
Phys. Rev. B
95
,
144104
(
2017
).
45.
C.
Ma
,
F.
Li
,
Q.
Zhou
,
F.
Huang
,
J.
Wang
,
M.
Zhang
,
Z.
Wang
, and
Q.
Cui
,
RSC Adv.
2
,
4920
(
2012
).
46.
J. S.
Loveday
and
R. J.
Nelmes
, in
Science and technology of high pressure: Proceedings of the International Conference on High Pressure Sciene and Technology (AIRAPT-17)
, edited by
M. H.
Manghnani
,
W. J.
Nellis
, and
M. F.
Nicol
(
Universities Press
,
Hyderabad, India
,
2000
), pp.
133
136
.
47.
A. D.
Fortes
,
E.
Suard
,
M. H.
Lemée-Cailleau
,
C. J.
Pickard
, and
R. J.
Needs
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
13508
(
2009
).
48.
M.
Bethkenhagen
,
D.
Cebulla
,
R.
Redmer
, and
S.
Hamel
,
J. Phys. Chem. A
119
,
10582
(
2015
).
49.
A.
Hermann
,
N. W.
Ashcroft
, and
R.
Hoffmann
,
J. Chem. Phys.
141
,
024505
(
2014
).
50.
A.
Hermann
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
16527
(
2016
).
51.
G. I. G.
Griffiths
,
A. D.
Fortes
,
C. J.
Pickard
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
136
,
174512
(
2012
).
52.
V.
Naden Robinson
,
Y.
Wang
,
Y.
Ma
, and
A.
Hermann
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
9003
(
2017
).
53.
M. L.
Troost
,
Compt. Rend.
92
,
715
(
1881
).
54.
G. W.
Watt
and
W. R.
McBride
,
J. Am. Chem. Soc.
77
,
1317
(
1955
).
55.
H. J.
Berthold
,
W.
Preibsch
, and
E.
Vonholdt
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
27
,
1524
(
1988
).
56.
S.
Boone
and
M. F.
Nicol
, in
Proceedings of the Lunar and Planetary Science Conference
(
Lunar and Planetary Institute
,
1991
), pp.
603
610
.
57.
K.
Hermansson
,
G.
Gajewski
, and
P. D.
Mitev
,
J. Phys. Chem. A
112
,
13487
(
2008
).
58.
B.
Monserrat
,
N. D.
Drummond
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. B
87
,
144302
(
2013
); arXiv:1303.0745.
59.
S.
Grimme
,
J. Comput. Chem.
27
,
1787
(
2006
).
60.
A.
Tkatchenko
and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
073005
(
2009
).
61.
A.
Ambrosetti
,
A. M.
Reilly
,
R. A.
DiStasio
, and
A.
Tkatchenko
,
J. Chem. Phys.
140
,
18A508
(
2014
).
62.
B.
Santra
,
J.
Klimeš
,
A.
Tkatchenko
,
D.
Alfè
,
B.
Slater
,
A.
Michaelides
,
R.
Car
, and
M.
Scheffler
,
J. Chem. Phys.
139
,
154702
(
2013
).
63.
M. J.
Gillan
,
D.
Alfe
, and
A.
Michaelides
,
J. Chem. Phys.
144
,
130901
(
2016
); arXiv:1603.01990 [cond-mat.mtrl-sci].
64.
J.
Sun
,
R. C.
Remsing
,
Y.
Zhang
,
Z.
Sun
,
A.
Ruzsinszky
,
H.
Peng
,
Z.
Yang
,
A.
Paul
,
U.
Waghmare
,
X.
Wu
,
M. L.
Klein
, and
J. P.
Perdew
,
Nat. Chem.
8
,
831
(
2016
).
65.
P.
Teeratchanan
, “
First-principles studies of gas hydrates and clathrates under pressure
,” Ph.D. thesis,
The University of Edinburgh
,
2017
.
66.
J.
Košata
,
P.
Merkl
,
P.
Teeratchanan
, and
A.
Hermann
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
5624
(
2018
).
67.
P.
Teeratchanan
and
A.
Hermann
,
J. Chem. Phys.
143
,
154507
(
2015
).
68.
M.
Martinez-Canales
,
C. J.
Pickard
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
045704
(
2012
).
69.
A.
Hermann
,
N. W.
Ashcroft
, and
R.
Hoffmann
,
Phys. Rev. B
88
,
214113
(
2013
).
70.
A. D.
Becke
and
K. E.
Edgecombe
,
J. Chem. Phys.
92
,
5397
(
1990
).
71.
A.
Savin
,
O.
Jepsen
,
J.
Flad
,
O. K.
Andersen
,
H.
Preuss
, and
H. G.
von Schnering
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
31
,
187
(
1992
).
72.
M.
Marqués
,
G. J.
Ackland
, and
J. S.
Loveday
,
High Press. Res.
29
,
208
(
2009
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.