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黏土礦物的摻雜機制與吸附特性

為了解決鉛離子的問題，作者趙健 這樣論述：

黏土礦物是天然存在的、含量豐富、價格低廉、無污染的納米材料，除了陶瓷和紙張塗層等傳統用途，還有許多新的用途，如具有優異吸附性能的新型有機黏土的設計、污染控制和環境保護等。長期以來，對黏土礦物的研究主要集中在地質、岩土和礦物等方向的實驗測試和理論分析，但從物質構成出發，對黏土礦物電子結構、摻雜機制、吸附性能等進行數值計算的研究尚不系統、不完善。 本書採用數值模擬和理論分析相結合的研究方法，從原子尺度對黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石的晶體結構進行了較為系統和深入的研究，並探討了不同雜質存在時其對多種小分子和重金屬原子的吸附行為，揭示了黏土礦物的電子性質、摻雜機制和吸附特性的微觀機理，為深入認識和

理解黏土礦物的物理化學性質提供了理論基礎和支援。 本書共6章，主要內容包括緒論、黏土礦物晶體結構及其微觀特徵、黏土礦物內部摻雜機制、黏土礦物表面的吸附特性、雜質成分對黏土礦物表面吸附性質的影響、結論與展望。 本書可供岩土工程、地質工程、礦物學、環境等專業的專業技術人員、科研人員和研究生參考。 趙健   中國礦業大學（北京），副教授，2015年到中國礦業大學（北京）任教，主要研究方向為量子力學原理和岩土工程實踐交叉領域，具體包括軟岩黏土礦物的原子與分子結構、摻雜機制、吸附特性和力學性質等。2015年獲得中國岩石力學與工程學會“青年人才托舉工程”專案（2015-2017年）

。主持國家自然科學基金青年項目1項，作為技術骨幹參與國家重點研發計畫、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上專案等6項國家縱向研究課題。發表學術論文20餘篇，其中以第一作者或通訊作者發表SCI論文16篇。參編專著2部。獲國家發明專利5項。教授2門本科生課程《大學物理A》和《大學物理B》。 第1章 緒論1 1．1黏土和黏土礦物3 1．2黏土礦物晶體結構研究現狀10 1．3黏土礦物摻雜機制研究現狀16 1．4黏土礦物吸附特性研究現狀18 第2章 黏土礦物晶體結構及其微觀特徵23 2．1黏土礦物的晶體結構25 2．1．1高嶺石1∶1層結構25 2．1．2蒙脫石2∶1層結

構27 2．2理論基礎與計算方法28 2．2．1量子力學基礎28 2．2．2密度泛函理論31 2．2．3第一性原理計算方法35 2．2．4VASP套裝程式介紹37 2．3高嶺石分子結構和電子性質37 2．3．1分子結構39 2．3．2電子結構和電荷分佈40 2．3．3能帶結構42 2．4蒙脫石分子結構和電子性質43 2．4．1分子結構44 2．4．2電子結構和電荷分佈45 2．4．3能帶結構48 第3章 黏土礦物內部摻雜機制49 3．1高嶺石內部單摻雜機制52 3．1．1單雜質形成能和躍遷能級55 3．1．2雜質在高嶺石內部的電荷密度和態密度分佈56 3．2蒙脫石內部單摻雜機制58 3．2．

1單雜質形成能和躍遷能級58 3．2．2雜質在蒙脫石內部的電荷密度和態密度分佈61 3．3高嶺石內部雙摻雜機制62 3．3．1雙雜質形成能和躍遷能級63 3．3．2雙雜質在高嶺石內部的電荷密度和態密度分佈65 第4章 黏土礦物表面的吸附特性67 4．1H2O在高嶺石表面（001）的吸附特性69 4．1．1清潔的高嶺石表面（001）70 4．1．2H2O分子的性質71 4．1．3單個H2O在高嶺石表面（001）的吸附73 4．1．4H2O分子在高嶺石表面（001）的擴散過程76 4．1．5H2O分子在高嶺石表面（001）的解離過程77 4．1．6H2O分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附7

7 4．2CO2在高嶺石表面（001）的吸附特性78 4．2．1CO2分子的性質79 4．2．2單個CO2在高嶺石表面（001）的吸附79 4．2．3CO2分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附83 4．3CO在高嶺石表面（001）的吸附特性87 4．3．1CO分子的性質88 4．3．2單個CO在高嶺石表面（001）的吸附88 4．3．3CO分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附91 4．4H2在高嶺石表面（001）的吸附特性93 4．4．1H2分子的性質94 4．4．2單個H2在高嶺石表面（001）的吸附94 4．4．3H2分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附97 4．5CH4在高嶺

石表面（001）的吸附特性101 4．5．1CH4分子的性質102 4．5．2單個CH4在高嶺石表面（001）的吸附102 4．5．3CH4分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附106 4．6重金屬在高嶺石表面（001）的吸附特性109 4．6．1單個重金屬原子在高嶺石表面（001）的吸附109 4．6．2重金屬原子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附112 4．6．3重金屬在高嶺石表面（001）的擴散過程114 第5章 雜質成分對黏土礦物表面吸附性質的影響117 5．1軟岩黏土礦物中常見的雜質成分119 5．2不同雜質對高嶺石原子和電子結構的影響119 5．3不同雜質對高嶺石表面吸附水分

子的影響120 5．4不同雜質對高嶺石表面吸附水分子團簇的影響124 5．5不同雜質對高嶺石表面滲透水分子的影響126 第6章 結論與展望129 參考文獻133 黏土礦物是地殼礦物家族中最年輕的成員，也是天然存在的含量豐富、價格低廉、無污染的材料。黏土礦物由不同的母岩在不同的條件下形成，其化學成分、結構和賦存方式各不相同。目前沒有任何無機材料具有如此多的種類，表現出如此廣泛的反應性和改性傾向，具有如此多樣的實際應用價值，黏土礦物引起了各個行業的技術、科研人員的廣泛關注並對其進行系統深入的研究。粗略估計，每年有成百上千篇關於黏土礦物的科技論文發表。其中，黏土礦物晶體結構、

結構缺陷和雜質的存在、吸附特性是眾多研究中的三個熱點問題，對黏土礦物晶體結構的深入認識是研究其物化性質的堅實基礎，對其結構缺陷和雜質的存在的研究是鑒別和定量分析黏土礦物的關鍵問題，對其吸附特性的研究為其廣泛實際應用提供理論依據和基礎。 眾所周知，黏土礦物晶體結構的研究從實驗開始，並隨著實驗技術的不斷發展，對黏土礦物晶體結構特徵的研究分別使用了X射線衍射、電子衍射、中子衍射、掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜以及固體核磁共振等測試分析手段。這些實驗測試獲得了各類黏土礦物晶體結構等極具價值的資訊，為人們認識黏土礦物奠定了重要的基礎。同樣，對黏土礦物結構缺陷和雜質的存在、吸附特性的研究也主要集中在地質、

岩土和礦物等方向的實驗測試和理論分析，然而實際環境中黏土礦物的顆粒微小、雜質較多並且實驗研究方法具有較強局限性，很難直接準確地得到黏土礦物的相關性質資訊。因此，應用新的基礎理論和數值模擬方法探討黏土礦物的相關問題已勢在必行。隨著科學技術的蓬勃發展，利用高性能計算集群進行數值模擬已成為當今科學研究中的一種重要研究方法，並成為在微觀尺度上研究材料微觀結構、物化性質及力學特性的強有力手段，能夠獲得實驗測試方法中難以獲得的微觀資訊。基於量子力學和密度泛函理論的第一性原理計算方法具有計算精度高、速度快的優點，是從原子尺度上研究黏土礦物的微觀結構和物化性質的強有力手段，能夠準確獲得實驗手段難以得到的微觀資

訊，近些年廣泛應用於黏土礦物晶體結構、表面性質、化學反應和微觀力學性能等多個領域。 《黏土礦物的摻雜機制與吸附特性》在國家自然科學基金專案（41702317）以及相關課題的資助下，利用基於量子力學的第一性原理計算方法，研究了黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石的晶體結構及其微觀特徵，得到了實驗手段和經驗理論難以得到的微觀資訊。建立了黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石內部替代這類摻雜模型，得到了其微觀摻雜機制以及雜質對其物化性質的影響。計算了黏土礦物主要成分高嶺石對水、二氧化碳、甲烷、氫氣、一氧化碳及重金屬鉛離子的吸附特性，揭示了其表面對多種小分子的吸附機理，量化了吸附能力及對其結構、電子性質等的影響。

最後比較了不同種類、不同比例雜質對黏土礦物主要成分高嶺石吸水特性的影響機理，指出雜質引起高嶺石原子和電子結構及吸附特性的變化，有望為深入認識和理解黏土礦物物化性質提供理論基礎和支持。 《黏土礦物的摻雜機制與吸附特性》出版過程中，承蒙中國礦業大學（北京）深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室多位元教授的指導，同時參與撰寫的還有陶志剛教授，化學工業出版社也提出了許多寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。 由於作者水準有限，書中難免不妥之處，在此抛磚引玉，懇請同行學者和讀者批評指正。

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細菌視紫質單層塗覆光電感測晶片的光控制自旋過濾特性探討

為了解決鉛離子的問題，作者蕭奕岷 這樣論述：

含有光敏性細菌視紫質(bacteriorhodopsin, BR)的紫膜(purple membrane, PM)，具有手性誘導自旋選擇性(chiral-induced spin selectivity, CISS)，且具有光控制自旋過濾(light-controlled spin filtering)的效果。本研究針對實驗室先前所開發以單層PM為光電訊號轉換器的各式光電生物感測晶片，進行光控制過濾行為探討，檢測對象包含小分子核糖核酸、糖化血色素、抗生素、真菌以及革蘭氏陰性菌，且晶片分別以不同架橋來固定化感測辨識分子。首先，使用循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)對各晶

片製程中各塗覆層在不同光照及磁場控制下進行其氧化與還原峰電流值量測，並計算自旋極化率(spin polarization, SP)。結果發現各感測晶片之所有塗覆層的氧化與還原峰電流值在光激發時均大於無照光時；外加磁場時，氧化與還原峰電流值會增加，且當磁鐵內部磁力線方向(S→N極)與晶片層層塗覆方向同向時，效果會大於另一磁力線方向，因此晶片在光激發時其SP值會低於無照光時，此意味著BR的光驅動質子傳遞效應會增加晶片的氧化及還原峰電流值，但同時也會降低電子自旋過濾效果；此外，對各種檢測晶片，塗覆層種類變化與SP值下降程度間並無顯著相關性。其次，利用電化學阻抗頻譜法(electrochemical

impedance spectroscopy, EIS)對各感測晶片製程中的各塗覆層進行量測，以了解不同塗覆層對晶片的阻抗變化影響以及CV峰電流值變化的原因。阻抗分析結果發現，晶片在光激發時均低於無照光時；外加磁場時阻抗值均會降低，且當磁鐵內部磁力線方向與晶片層層塗覆方向同向時，阻抗值會小於另一磁力線方向時。此結果隱喻晶片各塗覆層的阻抗變化會導致其氧化及還原峰電流值的變化，阻抗下降時其峰電流值會上升；此外，也顯示BR的光控制自旋過濾效果不會因塗覆層的增加或不同而消失。最後，將各種感測晶片對不同濃度目標物進行檢測並同時分析其阻抗值變化，結果發現，晶片阻抗值變化程度與目標物濃度間呈半對數線性關係，

且同一種檢測晶片間的相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)均低於2 %，顯示阻抗值可作為以單層PM為基底之生物感測晶片的一種檢測參數。