黏土矿物—水界面的量子力学模拟研究.pdf

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1、矿物岩石地球化学通报·侯德封奖获奖者论文·BulletinofMineralogy，PetrologyandGeochemistryVo1．34No．3，May，2015黏土矿物一水界面的量子力学模拟研究刘显东，李磊，张弛，张立虎，陆现彩，王汝成内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京210093摘要：黏土矿物广泛分布于自然界中，其对地质和地球化学过程有重要意义，也是工业、环境等领域中的重要矿物材料。黏土矿物的众多物化性质均与其表界面结构和性质有关。作为实验研究方法的重要补充，量子力学模拟被广泛用于黏土表界面性质的研究。本文回顾

2、了利用量子分子动力学模拟对黏土矿物一水界面性质的研究，包括表界面结构、表面酸度和离子络合等方面。关键词：黏土矿物；量子分子动力学；界面结构；表面反应性；表面酸度；离子络合中图分类号：P574．12文章编号：1007-2802(2015)03·0453—08doi：10．3969／j．issn．1007—2802．2015．03．001QuantumMechanicalSimulationsoftheInterfacesBetweenClayMineralsandWaterLIUXian—dong，LILei，ZHANGChi，ZHANGLi-hu，LUXian

3、—cai，WANGRu—chengStateKeyLaboratoryforMineralDepositsResearch，SchoolofEarthScienceandEngineering，NangUniversity，Nang210093，ChinaAbstract：Claymineralsareubiquitouslydistributedinnatureandplayimportantrolesinmanygeologicalandgeochemi—calprocesses．Theyarealsoimportantmaterialsinenviron

4、mentalandindustrialfields．Asausefulcomplementtoexperi—ments，quantummoleculardynamicshasbeenwidelyappliedtostudiesofinterfacesofclayminerals．ThispaperreviewstheworksofFPMD(firstprinciplemoleculardynamics)simulationsonclaymineral-waterinterfaces，includinginterfacestructure，surfaceacid

5、ityandioncomplexation．Keywords：claymineral；quantummoleculardynamics；interfacialstructure；interfacialreactivity；surfaceacidity；ioncomplexation黏土矿物是一类天然产出的广泛分布于土壤、Johnston，2006)。研究层状硅酸盐-水界面的性质对沉积物、大气悬浮物和含水层中的颗粒细小的层状于理解自然界中许多地球化学过程非常重要，如吸硅酸盐矿物(GlaccumandProspero，1980；Bergayaet附、结晶作用以及元

6、素运移和固定作用。这些界面a1．，2006)。黏土矿物的自然储量丰富，且在众多的信息可以为高级混合材料的合成以及层状硅酸盐地质和地球化学过程中起着重要作用。黏土矿物在环境科学和工业上的应用提供重要的理论指导普遍拥有较大的比表面积，大部分具有层电荷，在(AdamsandMcCabe，2006；Lagalyeta1．，2006)。阳离子交换、重金属及有机质吸附等方面能力突出黏土矿物的晶体结构由结构层沿C轴堆叠而(Bergayaeta1．，2006；SchoonheydtandJohnston，成；结构层主要有2种：1：1型和2：1型，其中2：12006)。在实际应

7、用方面，黏土矿物已经被广泛用型层状硅酸盐是最常见的黏土矿物(Bergayaeta1．，于采油工程、化工和环境工程等诸多领域(Bergaya2006)。由于黏土矿物独特的层状结构，其表面可eta1．，2006)。以分为基面和边缘面(WhiteandZelazny，1988；黏土矿物的众多物化性质均与其表界面结构Bleam，1993)。其中常见的基面有2种：羟基面和硅和性质有关(Bergayaeta1．，2006；Schoonheydtand氧烷面。边缘面有许多断键存在，在自然条件下，收稿日期：2014—12．20收到，2015-02-28改回基金项目：国家自然科

8、学基金项目(41002013，4097