硅及其各种化合物由于优良的物理及化学性质在冶金、化工、轻工、半导体、通讯、新能源等领域有重要应用,遍及人类生产生活的各个方面,地壳中丰富的二氧化硅是主要的资源来源。然而,矿石中二氧化硅稳定的化学性质导致难以通过直接解聚二氧化硅合成各种硅的化合物,大多数硅的化合物及产品必须以金属硅为原料生产。金属硅需要在1900℃下通过高温碳热还原二氧化硅制备,能耗很高。以活性二氧化硅为原料,避免高温碳热还原,直接绿色廉价地合成各种硅的化合物及产品,是相关领域研究的最前沿。在煤矿、金属矿等矿产开发过程中经常会产生一类以高岭石为主要矿物成分的高岭石基大宗固废,这些固废的高效资源化利用可消除其对环境造成的危害,并产生良好的环保效益、经济效益和社会效益。高岭石中含有大量氧化铝资源,已经被研究作为铝土矿最重要的潜在替代资源从中提取氧化铝,但其中丰富的二氧化硅资源依然没有得到有效利用。论文以高岭石为研究对象,开展高活性二氧化硅制备工艺及理论研究,具有重要的理论意义和实用价值。论文以高岭石为原料研究制备了高化学反应活性的二氧化硅。通过对活性二氧化硅室温条件下快速与稀的强碱溶液反应的特性研究,表征了其超常的高化学反应活性。分别设计研究了高岭石直接酸浸、热活化-酸浸、机械活化酸浸及活性二氧化硅煅烧等过程中的条件及参数对二氧化硅的化学反应活性及晶体结构、形貌、粒度、比表面积、孔结构等结构的影响,通过X射线衍射分析（XRD）、红外光谱分析（FT-IR）、29Si高分辨率魔角旋转固体核磁共振分析(29Si MAS NMR)、同步热分析（TG-DSC）、SEM、TEM、BET吸附分析、量子化学计算等手段,详细研究高活性二氧化硅的产生途径、揭示其形成机制和活化机理,解析其具备超常高化学反应活性的本质原因,论文的主要研究内容及结果如下:（1）研究开发了一种从矿石原料中制备高活性二氧化硅的新思路,通过直接硫酸浸出高岭石制备得到高活性二氧化硅,所制备的高活性二氧化硅在室温25℃下,即可在2 h内与稀Na OH溶液反应完全,这种高化学反应活性是其它不同晶型及不同来源的二氧化硅所不具备的。（2）通过硫酸在高岭石层间的预先插层,促进在相对温和的条件下直接酸浸高岭石高效提取其中的氧化铝制备得到高活性二氧化硅。高岭石由不同的单元层延c轴紧密堆叠而成,严重阻碍了溶剂与矿石的接触。硫酸在高岭石层间的预先插层使晶体边缘和内部的氧化铝与酸的反应可同时进行从而促进了铝的浸出。溶液中硫酸的存在形式显著影响插层行为,硫酸分子的插层能力最强,浓硫酸（98%）具有最高的插层效率。第一性原理研究结果显示,硫酸分子在高岭石层间的插层可自发进行,由氢键和静电吸附共同驱动。（3）以直接酸浸高岭石所得的高活性二氧化硅为对象,研究了氢氧化钠溶液浓度、反应温度、液固比和反应时间对二氧化硅与氢氧化钠的反应速率的影响。通过碱溶实验对比了高岭石不同酸法提铝工艺制备得到的二氧化硅及多种不同来源和不同晶型的二氧化硅的化学反应活性的差异,研究确定高活性二氧化硅的形成途径及其超常的高化学反应活性。通过对活性二氧化硅与氢氧化钠溶液反应动力学机理的研究,揭示了影响高活性二氧化硅与氢氧化钠溶液反应速率的本质。（4）研究了高活性二氧化硅的形成及活化机理。高岭石的29Si MAS NMR化学位移为-91.36 ppm,其中的氧化硅属于Q~3结构（（SiO）3SiOAl）的化学环境。高岭石直接酸浸提取铝氧层后,硅氧层的层状结构得到保持,首先形成带有一个羟基的Q~3结构硅醇（（SiO）3SiOH）,然后该结构可以发生同一层内相邻硅氧四面体之间的缩聚或者不同层间的硅氧四面体之间的缩聚,分别形成两种29Si MAS NMR化学位移分别为-115.87 ppm和-106.96 ppm的Q~4结构（（SiO）3SiOSi）二氧化硅,也有很少量没有发生缩聚的Q~3结构硅醇29Si MAS NMR化学位移为-95.63 ppm,它们是构成高活性二氧化硅的成分。高岭石中连接硅氧层和铝氧层的Si—O—Al化学键断裂是导致其中氧化硅化学反应活性提高的重要原因之一。断裂了Si—O—Al键的Q~3结构氧化硅自发缩聚为Q~4结构二氧化硅的过程中再次产生了活化作用,根据缩聚方式的不同导致对最终所得活性二氧化硅之间存在化学反应活性的差异,29Si MAS NMR化学位移为-115.87 ppm的活性二氧化硅的化学反应活性高于-106.96 ppm的活性二氧化硅。（5）采用量子化学计算研究验证了高活性二氧化硅的形成机制及活化机理。高岭石中Si—O—Al键的断裂导致其中氧化硅中的硅氧化学键的强度明显降低。断裂了Si—O—Al化学键后对应的Q~3结构硅氧层随后发生同一层内相邻硅氧四面体的缩聚和不同层间硅氧四面体之间的缩聚,分别产生了两种不同化学环境的活性二氧化硅,两种形式的缩聚均导致Si—O化学键的强度再次降低。上述双重活化作用导致高岭石中Si—O化学键的强度显著降低,并最终形成高活性的二氧化硅。