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Characterization of adsorbed alkali metal ions in 2:1 type clay minerals from first-principles metadynamics

第一原理メタダイナミクスによる2:1型粘土鉱物におけるアルカリ金属イオンの吸着特性評価

池田 隆司; 鈴木 伸一; 矢板 毅

Ikeda, Takashi; Suzuki, Shinichi; Yaita, Tsuyoshi

3種類の2:1型粘土鉱物におけるアルカリ金属イオンの吸着状態を第一原理に基づいたメタダイナミクスにより系統的に調べた。層間カチオンを記述するために集団変数として採用した配位数で張られた2次元空間での自由エネルギー曲面を求めたところ、2:1型3八面体粘土鉱物においてCsイオンの内圏錯体が選択的に形成されることがわかった。このCsイオンで見られた強い内圏錯体への親和性は4面体シートの同形置換により著しく増大したルイス塩基性をもつ底面酸素サイトでセシウムイオンが選択的に認識されることによることがわかった。

Adsorption states of alkali metal ions in three kinds of 2:1 type clay minerals are systematically investigated via first-principles-based metadynamics. Our reconstructed free energy surfaces in a two dimensional space of coordination numbers specifically employed as collective variables for describing the interlayer cations show that an inner-sphere (IS) complex is preferentially formed for Cs$$^{+}$$ in the 2:1 type trioctahedral clay minerals with saponitelike compositions, where lighter alkali ions show a tendency to form an outer-sphere one instead. The strong preference for an IS complex observed for Cs$$^{+}$$ is found to result partially from the capability of recognizing selectively Cs$$^{+}$$ ions at basal O atoms with the Lewis basicity significantly enhanced by the isomorphic substitution in tetrahedral sheets.

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パーセンタイル:36.67

分野:Chemistry, Physical

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