Electronic, adsorption, and hydration structures of water-contained Na-montmorillonite and Na-beidellite through the first-principles method combined with the classical solution theory

蒙脱石 吸附 材料科学 分子 电子结构 密度泛函理论 解吸 化学物理 粘土矿物 化学工程 物理化学 计算化学 矿物学 化学 有机化学 复合材料 工程类
作者
Satoshi Hagiwara,Yasunobu Ando,Yuta Goto,Susumu Shinoki,Minoru Otani
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:6 (2) 被引量:4
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.6.025001
摘要

We investigated the electronic and hydration structures of montmorillonite (MMT) and beidellite (BEI) using a first-principles method combined with classical solution theory. Both MMT and BEI belong to a family of clay minerals with a layered structure containing water molecules and cations in the interlayer. First, we optimized the number of accumulated water molecules in the interlayer space and found the present results to be in reasonable agreement with previous experiments. Next, we refined the positions of the cations to determine the most stable structure based on the adsorption energy of the clay layers. We found that the cations in the interlayer stably adsorb to the clay layers and the most stable adsorption site is the center of the six-membered ring. The hydration structure strongly depends on the cation adsorption structure based on the charge density distribution of the water. In contrast, the electronic state is weakly dependent on the adsorption structure because of its insulating electronic structure. Therefore, our results strongly suggest that the physical properties of MMT and BEI arise from changes in the hydration structure induced by cation adsorption/desorption.

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