Effect of metal ions on the interlayer structure of vermiculite in solution

<p indent="0mm">黏土矿物的表-界面作用制约着地球表层系统的物质循环。本研究以天然膨胀蛭石为对象，采用原位X射线衍射（<italic>in-situ</italic> XRD）和液相原子力显微镜（<italic>in-situ</italic> AFM）技术直观观测水合金属离子对蛭石层间及表面分子尺度微观结构的变化。原位XRD研究发现，阳离子种类是控制蛭石层间距（<italic>d</italic>₀₀₂）膨胀/塌缩行为的关键，水合能力弱、离子半径大的阳离子（K⁺、Rb⁺、Cs⁺ ）可导致蛭石层间存在较少甚至不含水分子，<italic>d</italic>₀₀₂值减小至约1.1 nm，层间域高度仅～0.14 nm。水合能力强的阳离子（Li⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺），由于其水合离子半径较大，蛭石<italic>d</italic>₀₀₂值增大为～1.5 nm，层间域高度0.54 nm，约为两层水分子高度。与蒙脱石性质不同，蛭石的<italic>d</italic>₀₀₂ 值不受阳离子浓度的影响。引起蛭石层间及表面结构特征变化的阳离子特异性效应不仅与阳离子半径和水化能力有关，还受离子非经典极化作用影响。原位AFM下的层间阳离子交换实验结果与原位XRD相一致。高分辨AFM结果表明，任意投放的蛭石纳米片会自发调整晶体取向，最终与实验基底云母片(001)晶面上保持<italic> a×b</italic>晶轴方向一致。蛭石纳米片的晶格缺陷会引起其表面电荷异质性分布，由此可引起表面形貌分子尺度的不均一。观察还发现，Rb⁺ 、Mg²⁺和Ca²⁺以沿着蛭石(002)晶面的<italic>a</italic> 轴方向吸附。本研究不仅加深了阳离子的差异对蛭石层间及表面结构变化特征的认识，还有助于理解阳离子在黏土矿物-水环境下的赋存状态与形式。