沸石合成初期低聚物的形成过程及机理的分子模拟研究

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本文通过分子模拟方法研究沸石合成初期的低聚物的形成过程,主要着力于研究合成初期反应体系中分子的形成过程,反应机理,分子形态以及影响因素。本工作涉及到的体系主要有磷铝沸石和纯硅沸石,体系中包含反应物以及模板剂。涉及到的计算方法有量子化学从头计算方法(DFT),基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,和经典分子动力学模拟方法(MD)。研究的内容和结论主要有以下几点:  AlPO沸石合成初期形成的低聚物分别在气相和连续水介质环境下进行了优化计算,并通过相对自由能分析聚合物的稳定性。计算结果表明,在各种聚合状态下,存在多种构象,有的成链,有的成环,这些低聚体为沸石骨架结构的形成准备了条件。在气相和水环境下,二聚体中的链状水合物比较稳定,四聚体中的环状化合物比较稳定。而对于三聚体,气相和水环境稍有不同。对于稳定的四元环,我们通过计算其NMR图谱并与实验进行了对比确定了这种结构的确稳定存在于AlPO沸石结构中。由于缺电子的Al原子倾向于形成多个配位键,与磷酸结合,不脱水即生成稳定的链状水合物。链状水合物通过分子内氢转移生成环状水合物,然后脱水形成稳定的链状二聚体。过程没有很高的能垒,因此链状水合物与环状化合物都可能存在。对于硅酸的体系的量子化学研究同样是在真空以及连续水介质环境下进行的,研究发现四元环状聚合物比较稳定,同时体系中也比较容易形成五元环、六元环。对于硅酸体系在溶液中动态反应过程,我们采用了反应力场的方法模拟聚合反应,对比了多种反应条件。对于反应温度高,反应浓度大,碱性强的体系,更容易发生聚合反应,聚合反应生成的低聚体相对来说也更加复杂。对反应机理的研究发现,在沸石合成初期,由于体系中存在大量的三配位的硅酸根离子,水分子首先要参与水解反应,接着四配位的硅酸根离子之间就会发生脱水缩合反应生成硅酸聚合物,于是溶液中水分子的含量相应增加。对于不同种类的模板剂的研究(TMA,TEA,TBA)发现,模板剂分子会“包围”反应物硅酸根离子,使得硅酸根离子能够在内部发生聚合反应,相对体积更大的模板剂分子的分离效果更加明显。含有模板剂的体系中会生成许多环状化合物,包括连续的环状化合物以及双环聚合物的结构,这个现象与不含模板剂的体系相差很大。我们也采用了经典的分子力场的方法在更大时间尺度上研究了模板剂分子的分离效应,发现,体系中模板剂的含量对分离硅源的影响很大,模板剂分子能够将硅源分离成一些分子团簇,使得团簇内的分子之间能够发生聚合反应,最终形成不同结构的微孔。
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