《Applied Surface Science》：Highly synergistic Ni/CeO
2 interface with optimized NH
3 pretreatment for enhanced catalytic ammonia decomposition
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本研究采用分析技术与密度泛函理论模拟，揭示煤高岭土与钛载体矿物表面 hydration差异的微观机制，发现水分子通过配位和氢键吸附，形成动态水化层，为矿物浮选分离提供理论依据。
作者：包龙翔、陈军、闵凡飞、尚欢欢、程亚丽、徐丽婷
单位：安徽科技大学材料科学与工程学院，中国淮南232001
摘要
矿物表面的水合差异是影响浮选分离的关键因素。为了研究煤高岭石与含钛脉石矿物之间的水合行为差异，本文采用了分析技术和密度泛函理论（DFT）模拟相结合的方法，以阐明不同表面水合结构的微观机制。对煤高岭石的表征表明，含钛相以晶格掺杂和脉状结构的形式分散在高岭石基质中。随后，对金红石、钛铁矿及其羟基化衍生物进行了表征，并进行了热重（TG）分析。计算得出这些矿物的活化能，结果表明其结构稳定性顺序为：羟基化表面 > 直接吸附 > 竞争性吸附 > 体相水。DFT模拟结果显示，水分子主要通过配体键合和氢键作用直接吸附在矿物表面，其中配体键合作用是主导机制。在水分子存在的情况下，它们倾向于竞争性吸附，这一过程主要受氢键控制。对各种水合状态的DFT模拟结果与TG实验结果一致。本研究揭示了含钛脉石矿物表面的复杂水合结构，为理解其表面水合行为提供了理论基础，并有助于提高煤高岭石的分离效果。
引言
高岭石是一种用途广泛的工业矿物，广泛应用于陶瓷[1]、涂料[2]和建筑[3,4]等领域。然而，天然高岭石中存在含钛杂质，特别是类黄铜矿相[5,6]，严重限制了其在高附加值领域（如能量存储[7]、催化[8]和材料改性[9,10]）的应用。这些杂质包括金红石、锐钛矿、针铁矿等离散含钛矿物[11,12]，以及掺入高岭石结构的晶格替代钛物种[6]，这些杂质难以有效去除。煤高岭石中的含钛黄铜矿矿物含量尤其较高。目前主流的分选方法包括浮选[13]、磁选[14]和生物脱污[15]，而理论研究主要采用密度泛函理论（DFT）[16,17]和分子动力学[18,19]方法来模拟矿物颗粒的表面性质。
提高浮选纯度的高岭石的关键在于调控其表面水合行为的变异性[20,21]。近期研究表明，用铁（Fe）等杂质元素掺杂可以显著改变高岭石的表面水合强度，并通过增强氢键网络稳定性和吸附能来影响其表面亲水性[17]。相比之下，含钛矿物表现出独特的水合机制：水分子不仅稳定地吸附在矿物表面[22]，还参与涉及水分子解离和金属-氧键重构等复杂界面反应的表面羟基化过程[23,24]。这些转变形成了具有动态结构特性的水合表层[25]。尽管在理解单个矿物水合机制方面取得了进展[26],[27],[28]，但对高岭石与含钛矿物之间水合性质的系统比较仍不够充分。具体而言，界面水分子的动态行为、羟基化程度和表面润湿性之间的关系尚未完全阐明，这限制了在浮选系统中精确调节矿物表面水合变化的能力。因此，迫切需要从原子尺度上阐明不同矿物表面水合层形成和演变的微观机制。这一理解将为基于界面水合调控的新浮选分离方法的建立提供理论支持。
本研究采用了一系列表征技术来识别煤高岭石中含钛脉石相的物理化学性质，随后进行了热重分析以评估热量损失行为并确定与不同水合过程相关的活化能。最后，利用DFT方法模拟了金红石、锐钛矿、针铁矿和 Brookite 的典型溶剂化表面的水合现象。该研究为煤高岭石中含钛脉石矿物的界面调控提供了理论基础，并为高岭石的先进分离提供了指导，对高效利用煤高岭石资源具有重要的实际价值。
煤高岭石样品的表征
高岭石样品来自淮北的金岩高岭石公司。初始样品呈块状，呈灰白色。将块状原矿破碎并研磨后进行了相关测试。
使用X射线衍射（XRD，Rigaku SmartLab SE）确定了样品的矿物组成，Cu靶源，扫描速率为0.05°/min，扫描范围为2θ = 5°-80°。X射线光电子能谱（XPS，Thermo Scientific K-Alpha）分析了样品的元素组成。
煤高岭石中含钛矿物的状态
煤高岭石中的微量含钛矿物是影响最终产品质量和白度的重要因素。因此，我们分析了煤高岭石中钛的迁移状态。
首先对煤高岭石样品进行了表征。图5(a)展示了XRD图谱，图5(b)显示了Ti 2p区域的XPS扫描结果。从图5(a)可以看出，通过比较PDF#75–1593的XRD图谱，其特征峰与PDF数据吻合良好。
