64、蒙脱石及相关硅酸盐的特性与研究进展

sre5engineer

于 2025-07-22 09:39:33 发布

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分类专栏：探索《朗道-伯恩斯坦》中的凝聚态物理文章标签：蒙脱石硅酸盐核磁共振

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蒙脱石及相关硅酸盐的特性与研究进展

1. 引言

蒙脱石及相关硅酸盐在材料科学、地质学等多个领域都有着广泛的应用和重要的研究价值。它们的物理和化学性质多样，包括核磁共振特性、电导率、红外光谱特征等，这些性质决定了它们在不同场景下的表现和用途。本文将详细介绍蒙脱石及相关硅酸盐的多种特性及研究成果。

2. 核磁共振研究

2.1 累托石的 NMR 谱

累托石的研究中，29Si MAS NMR 谱和 23Na MAS NMR 谱提供了重要信息。在 29Si MAS NMR 谱中，上迹是去卷积的结果，共振的下标 m 和 s 分别对应云母和蒙脱石片层。而 23Na MAS NMR 谱展示了天然样品、Mg2 + 交换样品和 Na + 交换样品的不同特征。

2.2 水铝英石的 27Al MAS NMR 谱

水铝英石的 27Al MAS NMR 谱在特定条件下记录（µ0H0 = 11.7 T 和 11 kHz 旋转频率），星号表示旋转边带。其谱图与不同的 Al/Si 比相关，为研究水铝英石的结构和组成提供了依据。

2.3 蛭石的 1H NMR 特性

蛭石的 1H NMR 双峰分裂随温度和 c * -轴相对于场 Ho 的两个取向 δ 而变化。这一特性有助于了解蛭石在不同温度和取向条件下的分子结构和动力学行为。

3. 电导率研究

3.1 蒙脱石的 ac 和 dc 电导率

对于 K - 蒙脱石脱水样品，ac 电导率与频率和温度有关。在不同温度下，ac 电导率随频率的变化呈现出特定的规律。而 A + - 交换蒙脱石的 dc 电导率则是逆温度的函数，不同的 A + 离子（如 K +、Rb +、Na +、Cs +、Li +）会导致不同的电导率表现。

3.2 膨润土和锂蒙脱石的电导率

Ca - 和 Na - 膨润土、Na -、K -、Ca - 膨润土、Mg -、Na - 膨润土以及 K - 锂蒙脱石的实部电导率谱在高和低水含量下有所不同。水含量的分数 θ 和相对湿度 RH 对电导率有显著影响，这对于理解这些材料在不同环境条件下的电学性能至关重要。

3.3 钠/钙 - 蒙脱石凝胶的电导率

钠/钙 - 蒙脱石凝胶的比电导率 σg 与层间溶液的比电导率 σw 相关，同时吸附阳离子的相对等效电导率是交换剂组成的函数，不同的凝胶组成（2% 和 4%）会导致不同的电导率表现。

4. 红外光谱研究

4.1 多种矿物的红外光谱

蒙脱石、绿脱石、贝得石等矿物的红外光谱在不同的频率区域展示了各自的特征。例如，在 OH - 伸缩振动和 OH - 弯曲振动区域，不同矿物的吸收峰位置和强度不同，这与它们的化学组成和结构密切相关。

4.2 累托石的红外光谱

累托石的红外光谱在 300 - 3800 cm - 1 范围内有特定的吸收峰，在不同温度下，OH - 伸缩区域的光谱也会发生变化。此外，天然和同离子样品从室温到 110 °C 的水分失重与 3420 cm - 1 处红外带的高度变化相关。

4.3 水铝英石的红外光谱

水铝英石的红外光谱在不同处理条件下（如在空气中、抽空 10 分钟、用 D2O 处理并抽空 10 分钟）以及加热到 150 °C 时呈现出不同的特征，这有助于研究水铝英石的结构和表面性质。

5. 其他研究

5.1 汞交换蒙脱石和蛭石的 EXAFS 数据

汞交换蒙脱石和蛭石的 Hg LIII - 边 EXAFS 数据包括傅里叶变换和相关的逆傅里叶滤波散射曲线光谱。通过与 HgO 作为参考化合物拟合，得到了实验数据和拟合曲线，为研究汞在这些矿物中的存在形式和结合方式提供了信息。

5.2 H + 交换皂石的 X 射线吸收光谱

H + 交换皂石的归一化近边光谱和 EXAFS 光谱展示了不同皂石样品（如 HNi -、HZn -、HCo -、HMg - 皂石）的特征，傅里叶变换进一步分析了这些数据，有助于了解皂石的结构和化学性质。

5.3 蛭石的拉曼光谱

Cs1 - xRbx 蛭石的拉曼光谱研究表明，扭转模式的拉曼位移和 dn 距离与组成有关，归一化扭转模式拉曼位移是 dn 的函数。这为研究蛭石的结构和动力学提供了新的视角。

矿物名称	研究方法	主要特征
累托石	29Si MAS NMR、23Na MAS NMR	不同片层对应不同共振下标，不同交换样品有不同 NMR 特征
水铝英石	27Al MAS NMR	谱图与 Al/Si 比相关，星号表示旋转边带
蛭石	1H NMR	双峰分裂随温度和取向变化
蒙脱石	ac 和 dc 电导率测量	ac 与频率和温度有关，dc 是逆温度函数
膨润土和锂蒙脱石	电导率谱测量	实部电导率受水含量和相对湿度影响
钠/钙 - 蒙脱石凝胶	电导率测量	比电导率与层间溶液电导率相关，吸附阳离子电导率与交换剂组成有关
多种矿物	红外光谱测量	不同矿物在 OH - 伸缩和弯曲振动区域有不同吸收峰
汞交换蒙脱石和蛭石	EXAFS 测量	通过与 HgO 拟合得到实验和拟合曲线
H + 交换皂石	X 射线吸收光谱测量	不同皂石样品有不同光谱特征
Cs1 - xRbx 蛭石	拉曼光谱测量	拉曼位移和距离与组成有关

研究流程 mermaid 图

graph LR
    A[样品准备] --> B[核磁共振研究]
    A --> C[电导率研究]
    A --> D[红外光谱研究]
    A --> E[其他研究（EXAFS、X 射线吸收、拉曼光谱等）]
    B --> B1[累托石 NMR]
    B --> B2[水铝英石 NMR]
    B --> B3[蛭石 NMR]
    C --> C1[蒙脱石电导率]
    C --> C2[膨润土和锂蒙脱石电导率]
    C --> C3[钠/钙 - 蒙脱石凝胶电导率]
    D --> D1[多种矿物红外光谱]
    D --> D2[累托石红外光谱]
    D --> D3[水铝英石红外光谱]
    E --> E1[汞交换蒙脱石和蛭石 EXAFS]
    E --> E2[H + 交换皂石 X 射线吸收光谱]
    E --> E3[Cs1 - xRbx 蛭石拉曼光谱]

6. 光学光谱和热学性质研究

6.1 多种矿物的光学光谱

蒙脱石、绿脱石、贝得石、皂石等矿物的光学光谱在不同的波数和波长区域有各自的特征。例如，在特定的波数范围内，这些矿物的吸光度不同，这与它们的化学组成和结构有关。通过对这些光谱的分析，可以了解矿物中离子的存在状态和化学键的情况。

6.2 绿脱石的近 - 紫外到可见区域光谱

绿脱石的近 - 紫外到可见区域光谱是水悬浮样品的光谱，其在特定的波长范围内有吸光度变化，这对于研究绿脱石在水溶液中的光学性质和化学行为具有重要意义。

6.3 蛭石和蒙脱石的热学性质

Na - 和 Ca - 蛭石的热容是温度的函数，不同的蛭石类型在不同温度下的热容表现不同。蒙脱石的热释光输出和综合热释光输出与表面铁含量和是否经过伽马辐照有关，这对于研究这些矿物在高温和辐射环境下的稳定性和物理性质变化具有重要价值。

矿物名称	研究方法	主要特征
蒙脱石、绿脱石、贝得石、皂石	光学光谱测量	不同矿物在特定波数和波长区域有不同吸光度
绿脱石	近 - 紫外到可见区域光谱测量	水悬浮样品在特定波长范围有吸光度变化
Na - 和 Ca - 蛭石	热容测量	热容是温度的函数，不同类型蛭石表现不同
蒙脱石	热释光测量	热释光输出与表面铁含量和辐照情况有关

研究流程 mermaid 图

graph LR
    F[样品准备] --> G[光学光谱研究]
    F --> H[热学性质研究]
    G --> G1[多种矿物光学光谱]
    G --> G2[绿脱石近 - 紫外到可见区域光谱]
    H --> H1[蛭石热容研究]
    H --> H2[蒙脱石热释光研究]

7. 总结与展望

7.1 研究成果总结

通过对蒙脱石及相关硅酸盐的多种研究方法（核磁共振、电导率、红外光谱、光学光谱、热学性质等）的综合分析，我们得到了这些矿物在不同方面的详细信息。例如，核磁共振研究揭示了矿物的原子结构和离子交换情况；电导率研究了解了矿物在不同环境条件下的电学性能；红外光谱和光学光谱研究则展示了矿物的化学组成和化学键特征；热学性质研究则为矿物在高温和辐射环境下的应用提供了参考。