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粘土和小分子物质的相互作用因其广泛的应用而成为一个新的发展领域。在粘土矿中,高岭石是一种典型的1∶1型铝硅酸盐混合物。高岭石有机插层复合物在催化剂、吸附剂、环境污染修复材料、非线性光学材料和有机纳米陶瓷材料等方面都有着广阔的应用前景。因此,研究高岭石与小分子物质的相互作用具有重要的现实意义。
本文构造了高岭石硅氧层、铝氧层和高岭石单体的团簇模型分别为Si6O18H12、A16O24H30和Si6Al6O42H42。运用密度泛函理论(DFT)方法并在B3LYP(Becke,three-parameter, Lee-Yang-Parr exchange-correlation functional)/6-31G(d)水平上对高岭石与酰胺分子(甲酰胺(FA)、乙酰胺(AA)、顺式-N-甲基甲酰胺(NMFAl)、反式-N-甲基甲酰胺(NMFA2)、顺式-N-甲基乙酰胺(NMAl)和反式-N-甲基乙酰胺(NMA2)等)相互作用(包括单层吸附和插层相互作用)所得团簇模型的各种性质进行了研究,如:优化的几何构型、结构参数、相互作用能、NBO电荷分布、振动频率、静电势等。结果表明,酰胺分子在高岭石铝氧层表面与硅氧层表面均能形成氢键产生吸附作用。当高岭石硅氧层吸附甲酰胺时,甲酰胺氨基上的两个氢原子在和硅氧层氧原子作用时起着最主要的作用。而当铝氧层吸附甲酰胺或者高岭石层间插入甲酰胺时,起关键作用的则是甲酰胺中的羰基氧原子。并且甲酰胺分子中直接参与成键的原子之间的键长在和高岭石相互作用后变长。计算所得硅氧层吸附酰胺分子的相互作用能的绝对值小于铝氧层的吸附,插层相互作用能绝对值大于单层吸附的相互作用能,说明高岭石铝氧层表面对酰胺分子的吸附作用强于硅氧层,且插层相互作用强于单层吸附作用。高岭石插层复合物的稳定性顺序为高岭石—反式-N-甲基甲酰胺>高岭石—甲酰胺>高岭石—乙酰胺>高岭石—顺式-N-甲基甲酰胺>高岭石—反式-N-甲基乙酰胺>高岭石—顺式-N-甲基乙酰胺。由于形成氢键类型和参与成键的原子的不同,该稳定性顺序和吸附体系的并不相同。