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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77
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
