粘土矿物广泛分布于地球表面,是土壤、水体沉积物、大气粉尘的主要矿物成分,具有复杂的多孔结构、较小的粒径、很大的比表面积及良好的膨胀性等特性,因此成为常用的吸附和反应材料之一。离子在粘土矿物表面吸附,一直以来都是土壤科学、环境化学和胶体界面化学等多个领域的重点研究内容之一。离子在粘土矿物表面的吸附不仅深刻影响着土壤矿物的溶解、表面沉淀、离子交换和催化反应性能,而且可以控制金属离子、营养元素及污染物等在土壤/水界面的迁移和富集。土壤中离子吸附和交换主要发生在双电层区域,双电层结构在很大程度上决定了土壤/水界面离子吸附吸附量和电荷反转。其中电荷反转现象近年来受到人们的广泛关注,从带电的云母表面到带电的脂质膜、肌动蛋白等界面的离子吸附都有可能会发生电荷反转现象,然而电荷反转产生机理目前仍然是个谜。因此,研究粘土矿物界面金属离子的双电层结构、吸附量和电荷反转及影响因素,对于理解土壤矿物界面性质和功能、营养元素运移和重金属污染修复等科学问题都有着重要的意义。粘土矿物中同晶替代使其带有大量的永久电荷,能够有效吸附溶液中带相反电荷的离子。其中,粘土矿物贝得石和蒙脱石颗粒小、胶体特征显著、电荷数量巨大,常被用作吸附材料。本论文围绕贝得石和蒙脱石两种常见土壤矿物,运用分子动力学方法,深入而系统的研究离子在矿物表面的吸附行为,提出一种简单的、基于分子动力学估计双电层厚度的方法;在此基础上,深入研究金属离子在矿物表面的吸附量,包括电荷分布和电场强度对离子吸附量的影响;然后,探讨不同金属离子在土壤矿物表面过量吸附和电荷反转现象和机制。结果表明:（1）提出并验证了一种简便计算双电层厚度方法。通过分子动力学模拟计算粘土矿物界面双电层厚度,考虑了不同电解质溶液、不同电解质浓度以及电荷分布位置等因素。发现分子动力学和经验德拜长度在非常低的浓度下都能正确预测出双电层厚度,也预测在较高浓度条件时出现双电层压缩,但分子动力学模拟具有明显的优势,表现在:浓度增加分子动力学模拟计算的双电层厚度趋势更加合理,尤其在高浓度条件下;双电层厚度反映了离子特异性效应,如不同碱金属离子双电层厚度有显著区别;体现双电层厚度对电荷分布位置的依赖性,如相同浓度下蒙脱石和贝得石双电层厚度有明显的区别,蒙脱石双电层厚度随浓度变化更缓慢。（2）不同金属离子在矿物表面吸附的研究帮助我们在分子尺度理解离子吸附量及影响因素。随着电解质浓度增加,五种离子(K+、Na+、Cs+、Pb2+和Ca2+)的总吸附量均有明显的增加,并表现出明显的离子特异性效应。在低浓度时,K+、Na+和Cs+离子总吸附量序列为:K+＜Cs+＜Na+;浓度升高时,三种离子总吸附量序列变为:Na+＜Cs+＜K+,即总吸附量序列发生了反转,这是由于浓度的增加,内外圈离子吸附量增多、离子与表面相互作用加强以及各离子的半径和屏蔽电荷能力的差异而造成的。另一方面Pb2+和Ca2+离子对电场的屏蔽能力比一价离子强,Pb2+和Ca2+离子的当量吸附量明显比一价离子大得多,内圈吸附量受电解质浓度影响较大,而外圈吸附离子数量和扩散层吸附量则影响较小。此外,电荷分布位置和电场强度通过改变离子的吸附类型和吸附强度影响离子总吸附量。（3）不同金属离子在矿物-水界面吸附可能出现电荷反转并表现出不同的趋势。K+、Na+、Cs+、Pb2+和Ca2+等离子的过量吸附都随电解质浓度的增加而更加显著。K+、Na+和Cs+三种离子的过量吸附则是其与阴离子Cl-的共吸附所造成的。在Pb2+和Ca2+吸附过程中,随着浓度增加,矿物表面电势发生反转并且反转趋势随浓度增加而更加显著,这与离子相关模型表现一致。在分子尺度解释电荷反转产生可能是被吸附的高价离子在矿物表面形成了一种强关联液体,这种强关联液体的内聚能吸引更多的反离子吸附在带电表面上,从而导致电荷反转。此外,土壤矿物表面电荷分布影响离子吸附类型和吸附量,但并不对电荷反转产生影响,而表面电场强度可通过改变离子主要吸附位置、吸附量及增强离子与表面间作用力,进而对矿物界面电荷反转产生显著影响。