DFT and 2D-CA methods unravelling the mechanism of interfacial interaction between amino acids and Ca-montmorillonite

化学 范德瓦尔斯力 原子轨道 密度泛函理论 吸附 蒙脱石 水溶液 结晶学 静电相互作用 计算化学 物理化学 化学物理 分子 有机化学 物理 量子力学 电子
作者
Hailong Li,Liang Bian,Faqin Dong,Weimin Li,Mianxin Song,Jianan Nie,Xiaonan Liu,Tingting Huo,Hongping Zhang,Bing Xu,Frank S. Riehle,Shuhui Sun
出处
期刊:Applied Clay Science [Elsevier BV]
卷期号:183: 105356-105356 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.clay.2019.105356
摘要

We explored the effect of contact time on the interfacial interaction mechanism of amino acids (AAs) connected to the aluminol group (AlOH) and interlayer Ca ions of Ca-montmorillonite (CaMt) in an aqueous solution using density functional theory (DFT) and two-dimensional correlation analysis (2D-CA) technology. The results showed that these interactions include electrostatic (or van-der-Waals) interaction, cation exchange and hydrophilic interaction. In particular, the electrostatic (or van-der-Waals) interaction between the –COO−(H) (and –NH3+) groups of the AAs and surface negative O atoms of CaMt were found to be the main interaction leading to the adsorption behaviour of AAs onto CaMt. With increasing contact time, the Ca-d0 orbital splitting (dx2+y2 → dx2+y2 + dZ2) not only changes the orbital coupling between the Ca-d0 and O-2p4 orbitals (Ca-dx2+y2-O-2p4 → Ca-dx2+y2 + dZ2-O-2p4) but also enhances the formation of Ca+–COO−(H) p-p σ (neutral: glycine and serine) and Ca+-NH3+ p-p π (charged: glutamate and arginine) hybrid orbitals, as well as the cation exchange (AlOH-Ca + AAs) that mainly contributes to the short-range van-der-Waals interaction. Furthermore, the H-1 s (H2O) orbital is degenerate, which in turn enhances the orbital overlap of H-1 s (H2O) with O-2p4 (-HOCO) and N-2p3 (-NH3), leading to the formation of hydrated clusters: -NH3·(H2O)+ and –HOCO·(H2O)−. The hydrophilic interaction (AlOH-H2O + AAs) mainly contributes to the long-range electrostatic interaction. The results of the study provide a new perspective to understand the adsorption process of AAs onto clay mineral surfaces.
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