ANISOTROPY IN THE ADSORPTION OF H2O ON KAOLINITE SURFACES

A. S. KASPRZHITSKII; Каспржицкий А. С.; G. I. LAZORENKO; Лазоренко Г. И.; A. A. KRUGLIKOV; Кругликов А. А.; V. A. YAVNA; Явна В. А.

doi:10.31857/S0023291222600596

Анизотропия поверхностных свойств каолинита и еe роль при адсорбции молекул воды

Авторы: Каспржицкий А.С.¹, Лазоренко Г.И.¹, Кругликов А.А.¹, Явна В.А.¹
Учреждения:
1. ФГБОУ ВО “Ростовский государственный университет путей сообщения”
Выпуск: Том 85, № 2 (2023)
Страницы: 167-178
Раздел: Статьи
Статья получена: 16.10.2023
Статья опубликована: 01.03.2023
URL: https://ogarev-online.ru/0023-2912/article/view/137205
DOI: https://doi.org/10.31857/S0023291222600596
EDN: https://elibrary.ru/UTFKLP
ID: 137205

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Адсорбционная способность краевых и базальных поверхностей каолинита может сильно различаться. Эти особенности определяют характер его адсорбционного поведения, оставаясь мало изученными. При этом, именно анизотропия краевой поверхности определяет широкую область применения каолинита в геохимических, экологических и технологических приложениях. В работе с использованием первопринципных расчетов определено влияние анизотропии поверхности каолинита на ее адсорбционную способность. Изучен механизм связывания молекул воды с наиболее стабильными поверхностями каолинита: (001), (00\(\bar {1}\)), (010), (110). Установлено, что наиболее энергетически выгодные адсорбционные конфигурации молекул воды возникают на краевой поверхности (010), превышая в ~4 раза энергию адсорбции на базальной поверхности (00\(\bar {1}\)). Возникающая энергетическая разница обусловлена участием в адсорбционном механизме кроме поверхностных кислородов также гидроксильных групп, отсутствие которых значительно снижает вероятности образования водородных связей. Полученные результаты находятся в согласии с результатами существующих исследований.

Список литературы

Brigatti M.F., Galán E., Theng B.K.G. Developments in Clay Science. Chapter 2 – Structure and Mineralogy of Clay Minerals. Amsterdam: Elsevier, 2013.
Schroeder P.A., Erickson G. Kaolin: From ancient porcelains to nanocomposites // Elements. 2014. V. 10. № 3. P. 177–182.
Balan E., Calas G., Bish D.L. Kaolin-group minerals: from hydrogen-bonded layers to environmental recorders // Elements. 2014. V. 10. № 3. P. 183–188.
Kameda J., Yamagishi A., Kogure T. Morphological characteristics of ordered kaolinite: investigation using electron back-scattered diffraction // Am. Mineral. 2005. V. 90. № 8–9. P. 1462–1465.
Bickmore B.R., Nagy K.L., Sandlin P.E. et al. Quantifying surface areas of clays by atomic force microscopy // Am. Mineral. 2002. V. 87. № 5–6. P. 780–783.
Cygan R.T., Tazaki K. Interactions of kaolin minerals in the environment // Elements. 2014. V. 10. № 3. P. 195–200.
Ndlovu B., Becker M., Forbes E. et al. The influence of phyllosilicate mineralogy on the rheology of mineral slurries // Minerals Engineering. 2011. V. 24. № 12. P. 1314–1322.
Brady P.V., Cygan R.T., Nagy K.L. Molecular controls on kaolinite surface charge // J. Colloid Interface Sci. 1996. V. 183. № 2. P. 356–364.
Presti D., Pedone A., Mancini G. et al. Insights into structural and dynamical features of water at halloysite interfaces probed by DFT and classical molecular dynamics simulations // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. № 3. P. 2164–2174.
Šolc R., Gerzabek M.H., Lischka H. et al. Wettability of kaolinite (001) surfaces – molecular dynamic study // Geoderma. 2011. V. 169. P. 47–54.
Chatterjee A., Iwasaki T., Ebina T., Hayashi H. Quantum chemical calculation on clay–water interface // Appl. Surf. Sci. 1997. V. 121–122. P. 167–170.
Smirnov K.S., Bougeard D. A Molecular dynamics study of structure and short-time dynamics of water in kaolinite // J. Phys. Chem. B 1999. V. 103. № 25. P. 5266–5273.
Benco L., Tunega D., Hafner J., Lischka H. Upper limit of the O–H⋯O hydrogen bond. Ab initio study of the kaolinite structure // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 44. P. 10812–10817.
Tunega D., Haberhauer G., Gerzabek M.H., Lischka H. Theoretical study of adsorption sites on the (001) surfaces of 1 : 1 clay minerals // Langmuir. 2002. V. 18. № 1. P. 139–147.
Hu X.L., Michaelides A. Water on the hydroxylated (0 0 1) surface of kaolinite: from monomer adsorption to a flat 2D wetting layer // Surf. Sci. 2008. V. 602. P. 960–974.
Kremleva A., Krüger S., Rösch N. Density functional model studies of uranyl adsorption on (001) surfaces of kaolinite // Langmuir. 2008. V. 24. № 17. P. 9515–9524.
Tarasevich Y.I., Aksenenko E.V., Polyakov V.E. Ab initio calculation of the hydration of organic cations and their associates with amines on the surface of kaolinite // Theor. Exp. Chem. 2009. V. 45. P. 373–379.
Martorell B., Kremleva A., Krüger S., Rösch N. Density functional model study of uranyl adsorption on the solvated (001) surface of kaolinite // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. № 31. P. 13287–13294.
Michalkova A., Robinson T.L., Leszczynski J. Adsorption of thymine and uracil on 1 : 1 clay mineral surfaces: comprehensive ab initio study on influence of sodium cation and water // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. V. 13. № 17. P. 7862–7881.
Zhang C., Qi Y.-H., Qian P. et al. Quantum chemical study of the adsorption of water molecules on kaolinite surfaces // Comput. Theor. Chem. 2014. V. 1046. P. 10–19.
Chen J., Min F.-F., Liu L.-Y., Liu C.-F. Mechanism research on surface hydration of kaolinite, insights from DFT and MD simulations // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 476. P. 6–15.
Han Y., Yan Z., Jin L. et al. In situ study on interactions between hydroxyl groups in kaolinite and re-adsorption water // RSC Adv. 2020. V. 10. № 29. P. 16949–16958.
Xi P., Ma R., Liu W. Research on the hydrophilicity of non-coal kaolinite and coal kaolinite from the viewpoint of experiments and DFT simulations // Symmetry. 2020. V. 12. P. 1199.
Каспржицкий А.С., Лазоренко Г.И., Сулавко С.Н. и др. Исследование структурных и спектральных характеристик свободной и связанной воды в каолините // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 121. № 3. С. 387–394.
Tunega D., Gerzabek M.H., Lischka H. Ab initio molecular dynamics study of a monomolecular water layer on octahedral and tetrahedral kaolinite surfaces // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. № 19. P. 5930–5936.
Haria N.R., Grest G.S., Lorenz C.D. Viscosity of nanoconfined water between hydroxyl basal surfaces of kaolinite: classical simulation results // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 12. P. 6096–6104.
Vasconcelos I.F., Bunker B.A., Cygan R.T. Molecular dynamics modeling of ion adsorption to the basal surfaces of kaolinite // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. № 18. P. 6753–6762.
Тарасевич Ю.И., Поляков В.Е., Трифонова М.Ю. Микрокалориметрическое исследование взаимодействия воды с поверхностью каолинита, модифицированного полигексаметиленгуанидином // Коллоидный журнал. 2013. Т. 75. № 1. С. 123–127.
Scott A.M., Dawley M.M., Orlando T.M. et al. Theoretical study of the roles of Na+ and water on the adsorption of formamide on kaolinite surfaces // J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. № 45. P. 23992–24005.
Kruglikov A., Vasilchenko A., Kasprzhitskii A. et al. Atomic-level understanding of interface interactions in a halloysite nanotubes–PLA nanocomposite // RSC Adv. 2019. V. 9. P. 39505–39514.
Lee S.G., Choi J.I., Koh W. et al. Adsorption of β-d-glucose and cellobiose on kaolinite surfaces: density functional theory (DFT) approach // Appl. Clay Sci. 2013. V. 71. P. 73–81.
Liu X.D., Lu X.C., Wang R.C. et al. Atomic scale structures of interfaces between kaolinite edges and water // Geochim. Cosmochim. Acta. 2012. V. 92. P. 233–242.
Kremleva A., Krüger S., Rösch N. Uranyl adsorption at (010) edge surfaces of kaolinite: a density functional study // Geochim. Cosmochim. Acta. 2011. V. 75. № 3. P. 706–718.
Neder R.B., Burghammer M., Grasl T. et al. Refinement of the kaolinite structure from single-crystal synchrotron data // Clays Clay Miner. 1999. V. 47. P. 487–494.
Bish D.L. Rietveld refinement of the kaolinite structure at 1.5 K // Clays Clay Miner. 1993. V. 41. P. 738–744.
White G., Zelazny L. Analysis and implications of the edge structure of dioctahedral phyllosilicates // Clays Clay Miner. 1988. V. 36. P. 141–146.
Clark S.J., Segall M.D., Pickard C.J. et al. First principles methods using CASTEP // Z. Kristallogr. 2005. V. 220. P. 567–570.
Fabritius O., Puhakka E., Li X., Nurminen A. et al. Radium sorption on biotite; surface complexation modeling study // Appl. Geochemistry 2022. V. 140. P. 105289
Kasprzhitskii A., Lazorenko G., Kharytonau D.S. et al . Adsorption mechanism of aliphatic amino acids on kaolinite surfaces // Applied Clay Science. 2022. V. 226. P. 106566
Perdew J.P., Burke K., Wang Y. Generalized gradient approximation for the exchange-correlation hole of a many-electron system // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 16533.
Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. 1976. V. 13. № 12. P. 5188–5192.
Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism // Phys. Rev. B. 1990. V. 41. № 11–15. P. 7892–7895.
Becke A.D., Johnson E.R. A density-functional model of the dispersion interaction // J. Chem. Phys. 2005. V. 123. №. 154101. P. 1–9.
Ángyán J.G., Gerber I.C., Savin A. et al. van der Waals forces in density functional theory: perturbational long-range electron-interaction corrections // Phys. Rev. A. 2005. V. 72. № 012510. P. 1–9.
Schoonheydta R.A., Johnston C.T., Bergaya F. Developments in Clay Science. Amsterdam: Elsevier, 2018.
Morales M.A., McMinis J., Clark B.K. et al. Multideterminant wave functions in quantum Monte Carlo // J. Chem. Theory Comput. 2012. V. 8. № 7. P. 2181.
Shulenburger L., Mattsson T.R. Quantum Monte Carlo applied to solids // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 245117.
Grimme S., Hansen A., Brandenburg J.G. et al. Dispersion-corrected mean-field electronic structure methods // Chem. Rev. 2016. V. 116. № 9. P. 5105–5154.
Grimme S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction // J. Comput. Chem. 2006. V. 27. № 15. P. 1787–7895.
Dubbeldam D., Calero S., Ellis D.E. et al. RASPA: molecular simulation software for adsorption and diffusion in flexible nanoporous materials // Mol. Simul. 2016. V. 42. № 2. P. 81–101.
Sun H., Ren P., Fried J.R. The COMPASS force field: parameterization and validation for phosphazenes // Comput. Theor. Polym. Sci. 1998. V.8. № 1–2. P. 229–246.
Voevodin V.L., Antonov A., Nikitenko D. et al. Supercomputer Lomonosov-2: large scale, deep monitoring and fine analytics for the user community // Supercomput. Front. Innov. 2019. V. 6. P. 4–11.
Luzar A., Chandler D. Structure and hydrogen bond dynamics of water–dimethyl sulfoxide mixtures by computer simulations // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 8160–8173.
Mulliken R.S. Electronic population analysis on LCAO–MO molecular wave functions. II. Overlap populations, bond orders, and covalent bond energies // J. Chem. Phys. 1955. V. 23. № 10. P. 1841–1846.