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黏土礦物的摻雜機制與吸附特性

為了解決氫氣機價格的問題，作者趙健 這樣論述：

黏土礦物是天然存在的、含量豐富、價格低廉、無污染的納米材料，除了陶瓷和紙張塗層等傳統用途，還有許多新的用途，如具有優異吸附性能的新型有機黏土的設計、污染控制和環境保護等。長期以來，對黏土礦物的研究主要集中在地質、岩土和礦物等方向的實驗測試和理論分析，但從物質構成出發，對黏土礦物電子結構、摻雜機制、吸附性能等進行數值計算的研究尚不系統、不完善。 本書採用數值模擬和理論分析相結合的研究方法，從原子尺度對黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石的晶體結構進行了較為系統和深入的研究，並探討了不同雜質存在時其對多種小分子和重金屬原子的吸附行為，揭示了黏土礦物的電子性質、摻雜機制和吸附特性的微觀機理，為深入認識和

理解黏土礦物的物理化學性質提供了理論基礎和支援。 本書共6章，主要內容包括緒論、黏土礦物晶體結構及其微觀特徵、黏土礦物內部摻雜機制、黏土礦物表面的吸附特性、雜質成分對黏土礦物表面吸附性質的影響、結論與展望。 本書可供岩土工程、地質工程、礦物學、環境等專業的專業技術人員、科研人員和研究生參考。 趙健   中國礦業大學（北京），副教授，2015年到中國礦業大學（北京）任教，主要研究方向為量子力學原理和岩土工程實踐交叉領域，具體包括軟岩黏土礦物的原子與分子結構、摻雜機制、吸附特性和力學性質等。2015年獲得中國岩石力學與工程學會“青年人才托舉工程”專案（2015-2017年）

。主持國家自然科學基金青年項目1項，作為技術骨幹參與國家重點研發計畫、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上專案等6項國家縱向研究課題。發表學術論文20餘篇，其中以第一作者或通訊作者發表SCI論文16篇。參編專著2部。獲國家發明專利5項。教授2門本科生課程《大學物理A》和《大學物理B》。 第1章 緒論1 1．1黏土和黏土礦物3 1．2黏土礦物晶體結構研究現狀10 1．3黏土礦物摻雜機制研究現狀16 1．4黏土礦物吸附特性研究現狀18 第2章 黏土礦物晶體結構及其微觀特徵23 2．1黏土礦物的晶體結構25 2．1．1高嶺石1∶1層結構25 2．1．2蒙脫石2∶1層結

構27 2．2理論基礎與計算方法28 2．2．1量子力學基礎28 2．2．2密度泛函理論31 2．2．3第一性原理計算方法35 2．2．4VASP套裝程式介紹37 2．3高嶺石分子結構和電子性質37 2．3．1分子結構39 2．3．2電子結構和電荷分佈40 2．3．3能帶結構42 2．4蒙脫石分子結構和電子性質43 2．4．1分子結構44 2．4．2電子結構和電荷分佈45 2．4．3能帶結構48 第3章 黏土礦物內部摻雜機制49 3．1高嶺石內部單摻雜機制52 3．1．1單雜質形成能和躍遷能級55 3．1．2雜質在高嶺石內部的電荷密度和態密度分佈56 3．2蒙脫石內部單摻雜機制58 3．2．

1單雜質形成能和躍遷能級58 3．2．2雜質在蒙脫石內部的電荷密度和態密度分佈61 3．3高嶺石內部雙摻雜機制62 3．3．1雙雜質形成能和躍遷能級63 3．3．2雙雜質在高嶺石內部的電荷密度和態密度分佈65 第4章 黏土礦物表面的吸附特性67 4．1H2O在高嶺石表面（001）的吸附特性69 4．1．1清潔的高嶺石表面（001）70 4．1．2H2O分子的性質71 4．1．3單個H2O在高嶺石表面（001）的吸附73 4．1．4H2O分子在高嶺石表面（001）的擴散過程76 4．1．5H2O分子在高嶺石表面（001）的解離過程77 4．1．6H2O分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附7

7 4．2CO2在高嶺石表面（001）的吸附特性78 4．2．1CO2分子的性質79 4．2．2單個CO2在高嶺石表面（001）的吸附79 4．2．3CO2分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附83 4．3CO在高嶺石表面（001）的吸附特性87 4．3．1CO分子的性質88 4．3．2單個CO在高嶺石表面（001）的吸附88 4．3．3CO分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附91 4．4H2在高嶺石表面（001）的吸附特性93 4．4．1H2分子的性質94 4．4．2單個H2在高嶺石表面（001）的吸附94 4．4．3H2分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附97 4．5CH4在高嶺

石表面（001）的吸附特性101 4．5．1CH4分子的性質102 4．5．2單個CH4在高嶺石表面（001）的吸附102 4．5．3CH4分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附106 4．6重金屬在高嶺石表面（001）的吸附特性109 4．6．1單個重金屬原子在高嶺石表面（001）的吸附109 4．6．2重金屬原子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附112 4．6．3重金屬在高嶺石表面（001）的擴散過程114 第5章 雜質成分對黏土礦物表面吸附性質的影響117 5．1軟岩黏土礦物中常見的雜質成分119 5．2不同雜質對高嶺石原子和電子結構的影響119 5．3不同雜質對高嶺石表面吸附水分

子的影響120 5．4不同雜質對高嶺石表面吸附水分子團簇的影響124 5．5不同雜質對高嶺石表面滲透水分子的影響126 第6章 結論與展望129 參考文獻133 黏土礦物是地殼礦物家族中最年輕的成員，也是天然存在的含量豐富、價格低廉、無污染的材料。黏土礦物由不同的母岩在不同的條件下形成，其化學成分、結構和賦存方式各不相同。目前沒有任何無機材料具有如此多的種類，表現出如此廣泛的反應性和改性傾向，具有如此多樣的實際應用價值，黏土礦物引起了各個行業的技術、科研人員的廣泛關注並對其進行系統深入的研究。粗略估計，每年有成百上千篇關於黏土礦物的科技論文發表。其中，黏土礦物晶體結構、

結構缺陷和雜質的存在、吸附特性是眾多研究中的三個熱點問題，對黏土礦物晶體結構的深入認識是研究其物化性質的堅實基礎，對其結構缺陷和雜質的存在的研究是鑒別和定量分析黏土礦物的關鍵問題，對其吸附特性的研究為其廣泛實際應用提供理論依據和基礎。 眾所周知，黏土礦物晶體結構的研究從實驗開始，並隨著實驗技術的不斷發展，對黏土礦物晶體結構特徵的研究分別使用了X射線衍射、電子衍射、中子衍射、掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜以及固體核磁共振等測試分析手段。這些實驗測試獲得了各類黏土礦物晶體結構等極具價值的資訊，為人們認識黏土礦物奠定了重要的基礎。同樣，對黏土礦物結構缺陷和雜質的存在、吸附特性的研究也主要集中在地質、

岩土和礦物等方向的實驗測試和理論分析，然而實際環境中黏土礦物的顆粒微小、雜質較多並且實驗研究方法具有較強局限性，很難直接準確地得到黏土礦物的相關性質資訊。因此，應用新的基礎理論和數值模擬方法探討黏土礦物的相關問題已勢在必行。隨著科學技術的蓬勃發展，利用高性能計算集群進行數值模擬已成為當今科學研究中的一種重要研究方法，並成為在微觀尺度上研究材料微觀結構、物化性質及力學特性的強有力手段，能夠獲得實驗測試方法中難以獲得的微觀資訊。基於量子力學和密度泛函理論的第一性原理計算方法具有計算精度高、速度快的優點，是從原子尺度上研究黏土礦物的微觀結構和物化性質的強有力手段，能夠準確獲得實驗手段難以得到的微觀資

訊，近些年廣泛應用於黏土礦物晶體結構、表面性質、化學反應和微觀力學性能等多個領域。 《黏土礦物的摻雜機制與吸附特性》在國家自然科學基金專案（41702317）以及相關課題的資助下，利用基於量子力學的第一性原理計算方法，研究了黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石的晶體結構及其微觀特徵，得到了實驗手段和經驗理論難以得到的微觀資訊。建立了黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石內部替代這類摻雜模型，得到了其微觀摻雜機制以及雜質對其物化性質的影響。計算了黏土礦物主要成分高嶺石對水、二氧化碳、甲烷、氫氣、一氧化碳及重金屬鉛離子的吸附特性，揭示了其表面對多種小分子的吸附機理，量化了吸附能力及對其結構、電子性質等的影響。

最後比較了不同種類、不同比例雜質對黏土礦物主要成分高嶺石吸水特性的影響機理，指出雜質引起高嶺石原子和電子結構及吸附特性的變化，有望為深入認識和理解黏土礦物物化性質提供理論基礎和支持。 《黏土礦物的摻雜機制與吸附特性》出版過程中，承蒙中國礦業大學（北京）深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室多位元教授的指導，同時參與撰寫的還有陶志剛教授，化學工業出版社也提出了許多寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。 由於作者水準有限，書中難免不妥之處，在此抛磚引玉，懇請同行學者和讀者批評指正。

看得到的化學：美麗的元素：最美的第一堂化學課，讓你反覆翻閱、讚嘆欣賞的化學元素圖鑑。

為了解決氫氣機價格的問題，作者大嶋建一 這樣論述：

　　出版《大人的科學》等科普書權威「學研Plus」出品、筑波大學名譽教授監修， 　　集合化學元素拍攝、解說生活應用的超精美圖鑑！ 　　日本bookmeter網站97%★★★★★絕讚好評 　　本書從元素週期表的第一個「氫」開始，介紹目前已知118種元素的 　　性質──硫很臭？其實無味。煙火很美，是哪些金屬燃燒後產生的鮮豔火焰？ 　　歷史──為什麼天文學家會發現化學元素？哪個元素是解開恐龍滅絕之謎的線索？ 　　應用──手機螢幕為什麼能透明又導電？什麼元素從單車、飛機到火箭都用到？ 　　獨家搭配無以倫比的美麗照片： 　　氧化的鉍綻放彩虹光澤、菱錳礦美到有「印加玫瑰」之稱…… 　 　　◎看過這本

書，你拿到週期表不再死背，而是慢慢欣賞： 　　‧元素的起源，從宇宙誕生談起： 　　138億年前宇宙誕生後，最初的元素「氫」出現了。 　　之後恆星進行核融合反應，許多元素出現。但為何不會產生比鐵還重的元素？ 　　‧看懂週期表──學會化學的第一步： 　　週期表的化學符號是用什麼順序排列？ 　　週期表相當於化學世界的地圖，我們能根據某元素在週期表上的位置， 　　在某種程度上明白其化學性質。（所以化學不用背！） 　　◎不只是化學，更是你我的生活應用： 　　‧大量存在於太陽系中，地球上卻很稀有的「氦」： 　　從飛船、磁振造影檢查到磁浮列車都用得到氦， 　　但發現它的竟然是天文學家，而非化學家。 　

　‧製造硫酸的主角「硫」： 　　其實硫本身無臭無味？那溫泉的刺鼻味哪裡來？ 　　切洋蔥時會流淚、臭鼬放出的刺激性液體都和硫有關。 　　‧強度高、耐腐蝕、又耐熱的「鈦」： 　　鈦常製成電腦機殼、防晒乳等，且因人體不排斥，可製成人工關節。 　　「二氧化鈦光觸媒」能靠光的能量去汙，因環保、實用而受注目。 　　‧有殺菌效果的貴金屬「銀」： 　　銀自古即作為貨幣和飾品使用，也被用來驗毒。 　　現代甚至能應用在相機底片、甜點的裝飾、抗菌劑上。 　　‧表示一秒基準的「銫」： 　　目前的一秒時間，是依據銫原子的震動頻率為基準定義。 　　放射性同位素銫-137，是2011年福島核災的主要外洩物質，半衰期達

30年。 　　‧在極低溫下成為超導體的「鉍」： 　　銀白色的鉍金屬氧化後竟呈現彩虹光澤？ 　　自動消防灑水器、胃潰瘍藥劑都會用到它。 　　你一定不知道，遊戲機PS2狂賣竟然在剛果引發戰爭？這和某些金屬有關； 　　到了21世紀，鍊金術不再是騙術？只不過鍊金成本比黃金價格還高。怎麼鍊…… 　　當你發現這些元素的綺麗身影，就能看見這個世界的變化多端。 名人推薦 　　國立臺灣師範大學化學系副教授／李祐慈　審定 　　國立清華大學生命科學系助理教授、泛科學專欄作者／黃貞祥 　　國立臺灣師範大學化學系主任／林文偉     

屋頂太陽能發電系統建置之經濟效益分析

為了解決氫氣機價格的問題，作者姜禮銘 這樣論述：

政府推動「陽光屋頂百萬座」明確的依日照長短與價格不同，一項太陽能發電系統產品的成本建置、最關鍵的價值常常是隱性的，太陽能系統的價值經常以度電成本（LCOE）為主要考量，日照是否充足，屋頂東西南北向是否影響光照，安裝施工是否順暢便捷，發電效率是否維持良好，運轉耗損是否穩定，都有很大影響。本研究發現臺灣近幾年在政府大力推動屋頂太陽能發電，能見度可說是越來越高，因應臺灣天然環境因素：南臺灣晝長夜短，造成太陽能發電設備投資商等過於集中南臺灣，南電北送耗損度電15％~25％，因此產生了北臺灣太陽能發電鼓勵措施，如苗栗以北地區每度電躉售價加乘15％，農漁畜牧業申請建置太陽能發電系統者，由農委會專案補助農

業金庫以下金融系統1％~1.5％低利貸款，鼓勵農漁畜牧業結合綠能發電。臺灣政府因應地區環境日照不同，律定不同躉售價格，建置面積越小，度電躉售價格越高，鼓勵住家個體戶安裝建置，邁向陽光屋頂百萬座，然而效果不彰，研究發現主要原因還是在於政府機關，申請程序繁雜曠日廢時，法規規範謹慎卻攏統，申請會簽機關單位過多，造成民眾對太陽能發電系統建置意願降低，專業顧問公司成效因素，故法規程序如能提升效果校能，不僅能提高民眾業者機關團體對太陽光電建置意願，還能節省時間及成本。