【摘要】 通过量子蒙特卡罗(QMC)与DFT对比研究，揭示水/甲醇在高岭石羟基面与硅酸盐面的吸附差异，解析氢键作用与范德华力对吸附能的影响机制，为环境治理与工业应用提供分子级理论支撑。

在环境科学与材料工程领域，黏土矿物表面吸附作用直接影响着污染物迁移、石油开采等关键技术。本研究通过前沿计算手段，首次系统揭示了水分子与甲醇在典型黏土矿物高岭石不同晶面的吸附能量差异。

 

双晶面吸附构型解析

通过图1可见，羟基面存在三类特征吸附位点。量子蒙特卡罗模拟显示，当水分子在羟基面形成3个氢键时，吸附能突破0.6eV阈值，显著高于硅酸盐面0.3eV的弱吸附。

高岭石表面3-fold、2-fold、1-fold吸附位点分布示意图

图1 高岭石结构表征

 

水分子在羟基面形成三重氢键的稳定构型

图2 高岭石端羟基面和端硅酸盐面对水和甲醇的吸附

 

计算方法对比验证

研究团队采用双路径验证策略：

1.离散化蒙特卡罗(DMC)：基于时间离散化算法，使用CASINO代码

2.格点正则蒙特卡罗(LRDMC)：采用空间离散化原理，TurboRVB代码实现

两种方法在误差范围内达成高度一致（相对偏差<5%），证实了量子蒙特卡罗在弱相互作用体系中的可靠性。

 

DFT泛函选择关键发现

研究对比了PBE-D3与RPBE泛函的性能差异：

  • PBE-D3计算结果与QMC基准吻合度达89%
  • RPBE泛函因过度弱化氢键作用，吸附能估值偏低50%
  • 范德华力修正使水/甲醇相对吸附能差缩小至0.08eV

 

工业应用启示

1.废水处理：羟基面强吸附特性可用于设计重金属离子捕获材料

2.能源开发：甲醇优先吸附规律为非常规油气开采提供润湿改性方向

3.环境修复：精确吸附模型助力土壤污染物迁移预测

 

参考文献：[1] . Phys. Chem. C 2016, 120, 46, 26402–26413

 

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