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22.08.2016 | Original Paper | Ausgabe 24/2016

Journal of Materials Science 24/2016

First-principles study of organically modified muscovite mica with ammonium (NH\(_4^+\)) or methylammonium (CH\(_3\)NH\(_3^+\)) ion

Zeitschrift:
Journal of Materials Science > Ausgabe 24/2016
Autoren:
Chol-Jun Yu, Song-Hyok Choe, Yong-Man Jang, Gwang-Hyok Jang, Yong-Hyon Pae

Abstract

Using density functional theory calculations, we have investigated the interlayer cation exchange phenomena in muscovite mica, which is motivated by a necessity to develop flexible high-insulating covering materials. The crystalline structures, chemical bonding properties, energetics, and electronic properties of muscovites before and after exchange of interlayer K+ cation with ammonium (NH\(_4^+\)) or methylammonium (CH3NH\(_3^+\)) ion were calculated. It was found that the unit cell volume changes are negligibly small upon exchange with NH\(_4^+\) ion, while the unit cells are expanded with about 4 % relative rate when replacing the interlayer K+ cation with CH3NH\(_3^+\) ion. The energy band gap of pre-exchanged muscovite was calculated to be about 5 eV, which hardly changes upon interlayer cation exchange with either NH\(_4^+\) or CH3NH\(_3^+\) ion, indicating the preservation of high insulating property of muscovite. The exchange energies were found to be about –100 kJ/mol for NH\(_4^+\) and about –50 kJ/mol for CH3NH\(_3^+\) exchange, indicating that the exchange reactions are exothermic. A detailed analysis of atomic resolved density of states and electron density redistribution was provided.

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