利用MedeA-Lammps和MedeA-GIBBS模擬粘土礦物質性質

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發佈日期 2021-07-09


利用MedeA-Lammps和MedeA-GIBBS模擬粘土礦物質性質

粘土礦物廣泛用於工業過程,從陶瓷製造、石油勘探和生產、核廢料儲存到水資源管理和土木工程或土壤科學。鑒於粘土顆粒的小尺寸及其相當複雜的化學性質,經典分析技術(如 XRD)無法提供納米級粘土結構的完整模型。因此,分子建模有助於補充經典分析,以研究給定家族中可能的結構變化,這是由於陽離子位置、間隙水量等造成的。此外,分子模型還有助於理解性質/結構關係。

 

勃姆石[AlO(OH)]和矽酸鹽[Ca(OH)2]是由八面體層(O)組成的兩種礦物。高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]和葉蠟石[AlSi2O5(OH)2]是兩種粘土礦物,分別由四面體 (T) 和八面體 (O) 層(特別是:TO 和 TOT)(圖1)。

圖1. 用 CLAYFF 模擬的粘土礦物結構(NPT 模擬 100 ps、300 K、1 bar)。左上:勃姆石,右上:高嶺石,左下:矽酸鹽和右下:葉蠟石。原子顏色代碼:O(紅色)、H(白色)、Al(紫色)、Si(黃色)和 Ca(藍色)。

 

氫的位置在晶體學數據中通常是不確定的。因此,氫原子最初是根據一般觀察和化學約束定位的,它們的最終位置是從 MD 模擬的結果配置中獲得的。

 

晶格常數、角度和密度通過 NPT 模擬獲得,並與公佈的實驗數據(表2)進行了很好的比較。

 

表2. 用 CLAYFF 模擬的粘土礦物晶格常數、角度和密度(NPT 模擬 100 ps、300 K、1 bar)。左上:勃姆石,左下:高嶺石,右上:矽酸鹽和右下:葉蠟石。

BET表面的計算公式為:

其中 na 是 N2 的吸附量, 是相對壓力,nm 是每個模擬盒 N2 的單層容量。

繪製允許我們計算 nm,因此計算表面積 ABET

 

其中 am 是 N2 分子的分子橫截面積,在 77 K 時等於 0.162 nm²(圖2)。每個模擬盒的葉蠟石表面 ABET 等於 17.21 nm2,對於我們的系統,其比表面積為 13.7 m2/g 粘土(我們的系統包含 7 層,孔隙寬度 ~3.5 nm)。

圖2. BET 圖和葉蠟石在 77 K 和不同相對壓力下的氮吸附快照(左下角為 0.02,中間為 0.07,右側為 0.09)。只顯示了模擬框的一部分,部分實體和部分孔隙。原子顏色代碼:O(紅色)、H(白色)、Al(紫色)、Mg(綠色)、Si(黃色)、N(淺藍色)。

 計算使用模組: MedeA-LammpsMedeA-Gibbs

若有任何問題,請洽 cae-md@cadmen.com

 

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