基于红外光谱实验与第一性原理计算的红柱石中结构水的研究

摘要

红柱石中的结构水对红柱石的密度、成分和弹性等物理化学性质有着重要影响。为探讨红柱石中含氢缺陷的结合机制以及结构水吸收峰的归属问题,本文用显微红外光谱(Micro-FTIR)分析和第一性原理计算,从晶体化学及结构缺陷性质的角度出发研究了红柱石中氢的结合机制,同时分析含氢缺陷的光谱。Micro-FTIR结果表明红柱石的主要吸收峰位于3749、3674、3659、3609、3599、3525、3517、3450 cm^(-1)和3444 cm^(-1)处。通过对缺陷形成能和能带的模拟计算发现,(4H)_(Si)复合缺陷模型比(AlH)_(Si)和(3H)_(Al)复合缺陷模型形成能更低,结构更稳定,(4H)_(Si)复合缺陷是红柱石中氢结合机制的优选模式。第一性原理计算得到红柱石含氢缺陷拉曼光谱,其峰值与本次红外光谱实验结果基本一致。对比红外光谱测试结果发现,(4H)_(Si)含氢缺陷几乎出现在所有的样品颗粒中,表明这一结合机制稳定性更好。红外光谱分析和第一性原理计算对结构羟基的归属进行指认,为矿物的实验研究提供理论依据,并为研究其他矿物的谱学归属问题提供了一种新思路。