1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来二维纳米材料(2 dimensional nanomaterial)是研究的热点，首先纳米材料^[1]是指材料在某一维、二维或三维方向上达到了纳米尺度(1-100 nm)。在一些特定条件下，纳米材料可被用作吸附、超导、催化、半导体等功能材料。二维纳米材料则是指纳米材料在二维层面上有相似的原子排布和键强度而强于第三维度，因此二维纳米材料拥有很大的横向尺寸而仅有几个原子层的厚度^[2]。这种独特的结构使二维纳米材料表现出丰富的理化性质。作为二维纳米材料的代表，石墨烯(graphene)^[3]的成功剥离标志着二维纳米材料研究的兴起。到目前为止，除石墨烯外，很多类石墨烯材料也得以成功研究，如六方氮化硼(h-bn)、过渡金属二硫族化合物(tmds)、石墨化氮化碳(g-c₃n₄)、层状金属氧化物和层状双氢氧化物(ldhs)等^[4]。

蒙脱石(montmorillonite)是典型的层状硅酸盐矿物，化学式e_x(h₂o)₄{(al_{2- x},mg_x)₂[(si,al)₄o₁₀](oh)₂}，具有2:1型层状结构即中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体所组成的三层片状结构的黏土矿物，在晶体构造层间含水及一些交换阳离子，有较高的离子交换容量，具有较高的吸水膨胀能力。蒙脱石晶体在a、b轴可无限延伸，在c轴方向以一定距离重叠，氧层与氧层相对，靠微弱的范德华力连接，因而浸入水体或极性分子中，蒙脱石会发生膨胀现象，使其获得吸附性和阳离子交换性,为许多客体物质进行层间复合或嵌入反应提供了较有利的条件^[5]；即硅氧四面体中si⁴ 部分被al³ 取代或铝氧八面体中的al³ 部分被mg² 、fe² 等离子同晶取代，使得蒙脱石晶胞携带负电，而通过八面体本身oh^-置换o^2-不能实现电荷平衡，故层间常吸附有可交换性阳离子，如na 、k 和ca² 等。自然状态下蒙脱石是由带负电的堆叠片层以及层间平衡片层电荷的金属阳离子组成，层间阳离子的电荷以及水化能力的不同会对蒙脱石的性质如晶面间距，层间结合能以及膨胀容等产生不同影响。由于蒙脱石层间只有微弱的范德华力和静电作用力存在，故易通过物理或化学方法被剥离成为蒙脱石二维纳米片层，剥离后的蒙脱石材料可以用于合成聚合物材料，也可以作为一个自组装的单元用于自组装合成有机-无机和无机-无机等纳米复合材料；剥离后的蒙脱石片状结构具有较大的比表面积及孔容，还可用做催化剂载体材料，并制备出形貌可控的催化剂^[6]。

将蒙脱石作为原料制备蒙脱石二维材料，两个较为重要的步骤为通过离子交换改性得到不同层间阳离子蒙脱石及不同层间阳离子蒙脱石的剥离。首先，由于蒙脱石层间易于吸附可交换阳离子且有较高的离子交换容量，故可通过物理或化学方法对蒙脱石进行改性处理^[7]从而得到具有单一层间离子或化合物的蒙脱石，并使其层间域，吸附性能得到改善。朱利中^[8]等研究发现经酸处理的酸性膨润土较未改性的膨润土去除废水中重金属离子的效果更好。m.a. abd el-ghaffar^[9]等用十六烷基三甲基溴化铵(ctab)与钠基蒙脱石有机改性，改性后蒙脱石层间距从11.21aring;增加到19.35 aring;。之前对于蒙脱石的研究大都围绕在利用蒙脱石较高的离子交换容量以及其层状结构进行蒙脱石改性，从而通过改性赋予蒙脱石新的物化特性。本研究则是通过离子交换改性得到含有不同层间阳离子蒙脱石原样，将含有不同层间阳离子蒙脱石剥离后制备二维纳米材料，不仅限于利用改性后蒙脱石的物化性能，而可将改性后蒙脱石用于制备二维材料，较单纯改性具有更高的应用价值 要利用含有不同层间阳离子的蒙脱石制备二维纳米材料，另一个重要的步骤是改性蒙脱石的剥离。蒙脱石剥离的常用方法分为:①物理方法剥离，如机械球磨法法剥离，超声剥离等。zhang^[10]等通过强烈的机械搅拌和超声处理剥离蒙脱石和镁铝水滑石得到二维纳米片层，制得两种纳米片复合薄膜材料，用于二氧化碳氮气的分离；也有利用蒙脱石在水中的溶胀特性实现片层的分散剥离，如梁启超^[11]等利用溶胀剥离后的蒙脱石与醋酸根型层状双氢氧化物插层组装，制得ldh/mmt层状复合材料。②化学方法剥离，利用剥离剂，采取离子交换和插层反应等方法剥离蒙脱石。如郑翔^[12]等用氯化锂、正丁基锂和葡糖糖酸为剥离剂来剥离蒙脱石，比较得出氯化锂水热法剥离后的蒙脱石较理想。

2. 研究的基本内容与方案

研究目标：

本研究以内蒙古赤峰蒙脱石为原料，利用氯化钠、氯化钾和氯化钙为离子交换剂对蒙脱石原矿改性得到钠基、钾基和钙基蒙脱石。将改性后得到的各蒙脱石样品分别于不同超声条件下进行剥离，统计分析超声处理后的蒙脱石片层厚度及片径大小来比较剥离效果，找出最佳处理条件。然后进行分子动力学模拟和量子力学模拟分析蒙脱石层间离子及层面化学键信息。

研究的基本内容：

3. 研究计划与安排

第01~02周 了解国内外蒙脱石研究现状，包含蒙脱石的特性、改性以及蒙脱石的剥离等；

第03~04周 通过查阅资料了解蒙脱石的提纯改性和具体剥离方法，制定试验方案；

第05~06周 用离心机和超声波完成对不同层间阳离子蒙脱石的制备和剥离，为后续检测统计提供试样； 第07~08周 完成对离子交换后含不同层间阳离子蒙脱石的成分分析以及剥离后蒙脱石的成分及形貌分析；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] dr.k.gajanan,dr.s.n. tijare. applications of nanomaterials. sciencedirect.5(2018) 1093-1096.

[2] zhang h, et al. recentadvances in ultrathin two-dimensional nanomaterials. acs chem rev. 2017 117(9):6225-6331.

[3] marzieh savadkoohia, davoud dorraniana, elmira solatib. using siliconnanoparticles to modify the surface of graphene nanosheets. materials sciencein semiconductor processing.75 (2018) 75-83