Stability of montmorillonite edge faces studied using first-principles calculations

第一原理計算によるモンモリロナイトのエッジ表面安定性の研究

佐久間 博*; 舘 幸男  ; 四辻 健治; 末原 茂*; 有馬 立身*; 藤井 直樹*; 河村 雄行*; 本田 明

Sakuma, Hiroshi*; Tachi, Yukio; Yotsuji, Kenji; Suehara, Shigeru*; Arima, Tatsumi*; Fujii, Naoki*; Kawamura, Katsuyuki*; Honda, Akira

層電荷0.33及び0.5を有する4種類のモンモリロナイト・エッジ表面(110), (010), (100)及び(130)の構造と安定性を評価するため、密度汎関数理論に基づく第一原理計算手法を用いて調べた。特にモンモリロナイト層状体が積層した場合の影響を調べるため、単層モデルと積層モデルを設定して、エッジ表面の安定性を比較した。ほとんどのケースで、層状体間の水素結合により、表面エネルギーは単層モデルよりも積層モデルの方が低くなり安定化する。このことは、エッジ面の表面エネルギーは膨潤状態に依存することを示唆している。エッジ面(010)及び(130)の最も低い表面エネルギーは、エッジ面近傍にMgイオンが露出することにより実現される。これらのエッジ面は、エッジにおける局所的な負電荷によって、カチオンに対する強い吸着サイトを有する。

Structure and stability of montmorillonite edge faces (110), (010), (100), and (130) of the layer charges y = 0.5 and 0.33 are investigated by the first-principles electronic calculations based on the density functional theory. Stacking and single layer models are tested for understanding the effect of stacking on the stability of montmorillonite edge faces. Most stacking layers stabilize the edge faces by making hydrogen bonds between the layers; therefore, the surface energy of stacking layers is reduced rather than the single layer model. This indicates that the surface energy of edge faces should be estimated depending on the swelling conditions. Lowest surface energies of (010) and (130) edge faces were realized by the presence of Mg ions on the edge faces. These edge faces have a strong adsorption site for cations due to local negative charge of the edges.