黏土矿物是天然存在的、含量丰富、价格低廉、无污染的纳米材料，除了陶瓷和纸张涂层等传统用途，还有许多新的用途，如具有优异吸附性能的新型有机黏土的设计、污染控制和环境保护等。长期以来，对黏土矿物的研究主要集中在地质、岩土和矿物等方向的实验测试和理论分析，但从物质构成出发，对黏土矿物电子结构、掺杂机制、吸附性能等进行数值计算的研究尚不系统、不完善。
本书采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法，从原子尺度对黏土矿物主要成分高岭石和蒙脱石的晶体结构进行了较为系统和深入的研究，并探讨了不同杂质存在时其对多种小分子和重金属原子的吸附行为，揭示了黏土矿物的电子性质、掺杂机制和吸附特性的微观机理，为深入认识和理解黏土矿物的物理化学性质提供了理论基础和支持。
本书共6章，主要内容包括绪论、黏土矿物晶体结构及其微观特征、黏土矿物内部掺杂机制、黏土矿物表面的吸附特性、杂质成分对黏土矿物表面吸附性质的影响、结论与展望。
本书可供岩土工程、地质工程、矿物学、环境等专业的专业技术人员、科研人员和研究生参考。

赵健，中国矿业大学（北京），副教授，2015年到中国矿业大学（北京）任教，主要研究方向为量子力学原理和岩土工程实践交叉领域，具体包括软岩黏土矿物的原子与分子结构、掺杂机制、吸附特性和力学性质等。2015年获得中国岩石力学与工程学会“青年人才托举工程”项目（2015-2017年）。主持国家自然科学基金青年项目1项，作为技术骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等6项国家纵向研究课题。发表学术论文20余篇，其中以*一作者或通讯作者发表SCI论文16篇。参编专著2部。获国家发明专利5项。教授2门本科生课程《大学物理A》和《大学物理B》。

第1章绪论1
1.1黏土和黏土矿物3
1.2黏土矿物晶体结构研究现状10
1.3黏土矿物掺杂机制研究现状16
1.4黏土矿物吸附特性研究现状18

第2章黏土矿物晶体结构及其微观特征23
2.1黏土矿物的晶体结构25
2.1.1高岭石1∶1层结构25
2.1.2蒙脱石2∶1层结构27
2.2理论基础与计算方法28
2.2.1量子力学基础28
2.2.2密度泛函理论31
2.2.3第一性原理计算方法35
2.2.4VASP程序包介绍37
2.3高岭石分子结构和电子性质37
2.3.1分子结构39
2.3.2电子结构和电荷分布40
2.3.3能带结构42
2.4蒙脱石分子结构和电子性质43
2.4.1分子结构44
2.4.2电子结构和电荷分布45
2.4.3能带结构48

第3章黏土矿物内部掺杂机制49
3.1高岭石内部单掺杂机制52
3.1.1单杂质形成能和跃迁能级55
3.1.2杂质在高岭石内部的电荷密度和态密度分布56
3.2蒙脱石内部单掺杂机制58
3.2.1单杂质形成能和跃迁能级58
3.2.2杂质在蒙脱石内部的电荷密度和态密度分布61
3.3高岭石内部双掺杂机制62
3.3.1双杂质形成能和跃迁能级63
3.3.2双杂质在高岭石内部的电荷密度和态密度分布65

第4章黏土矿物表面的吸附特性67
4.1H2O在高岭石表面（001）的吸附特性69
4.1.1清洁的高岭石表面（001）70
4.1.2H2O分子的性质71
4.1.3单个H2O在高岭石表面（001）的吸附73
4.1.4H2O分子在高岭石表面（001）的扩散过程76
4.1.5H2O分子在高岭石表面（001）的解离过程77
4.1.6H2O分子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附77
4.2CO2在高岭石表面（001）的吸附特性78
4.2.1CO2分子的性质79
4.2.2单个CO2在高岭石表面（001）的吸附79
4.2.3CO2分子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附83
4.3CO在高岭石表面（001）的吸附特性87
4.3.1CO分子的性质88
4.3.2单个CO在高岭石表面（001）的吸附88
4.3.3CO分子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附91
4.4H2在高岭石表面（001）的吸附特性93
4.4.1H2分子的性质94
4.4.2单个H2在高岭石表面（001）的吸附94
4.4.3H2分子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附97
4.5CH4在高岭石表面（001）的吸附特性101
4.5.1CH4分子的性质102
4.5.2单个CH4在高岭石表面（001）的吸附102
4.5.3CH4分子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附106
4.6重金属在高岭石表面（001）的吸附特性109
4.6.1单个重金属原子在高岭石表面（001）的吸附109
4.6.2重金属原子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附112
4.6.3重金属在高岭石表面（001）的扩散过程114

第5章杂质成分对黏土矿物表面吸附性质的影响117
5.1软岩黏土矿物中常见的杂质成分119
5.2不同杂质对高岭石原子和电子结构的影响119
5.3不同杂质对高岭石表面吸附水分子的影响120
5.4不同杂质对高岭石表面吸附水分子团簇的影响124
5.5不同杂质对高岭石表面渗透水分子的影响126

第6章结论与展望129

参考文献133