陽イオンの粘土鉱物への吸着構造の解明; 水の効果を含めた第一原理計算とXAFS法の相補的利用

Investigation of adsorption structures of cations on clay minerals based on first principle calculation and XAFS

山口 瑛子  ; 高橋 嘉夫*; 奥村 雅彦   

Yamaguchi, Akiko; Takahashi, Yoshio*; Okumura, Masahiko

粘土鉱物は地球表層に広く存在し、多くの陽イオンの環境動態を支配している。特に、イオンが粘土鉱物に吸着する際に水和したまま吸着する(内圏錯体)か脱水して吸着する(外圏錯体)かは、環境中での易動性に大きな影響を与えるため、粘土鉱物・イオン・水の相互作用の理解が重要である。イオンの水和状態を調べる実験手法としてX線吸収微細構造(XAFS)法が有効であるが、三次元的な情報は得られないため、第一原理計算の併用が重要である。しかし、第一原理計算で水分子も計算すると莫大な計算コストが必要になる。本発表では、これまで粘土鉱物に適用されてこなかった新しい計算手法を用いることで、粘土鉱物に吸着したイオンの水和状態をより低コストで正確に計算可能であるという有用な知見を得たことを報告する。なお、問題解決に当たっては、粘土鉱物と吸着イオンのみ第一原理計算で計算し、水は古典溶液論を用いるEffective screening medium reference site interaction model self consistent filed (ESM-RISM-ESM)法を適用したことと、放射光を用いたEXAFS法の利用により計算の妥当性を確かめられたことが解決の糸口となった。得られた知見は、粘土鉱物の吸着反応機構について水の状態も含めた詳細な解明に資する。

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