介孔材料虽然满足了人们对分子筛孔径的需求,但其孔壁呈无定型以及表面存在大量硅羟基的特征,导致其湿热稳定性差和酸度低[17],于是微孔/介孔复合材料应运而生。它不仅具有介孔分子筛孔径可调的特点,还具有微孔沸石的较好的水热稳定性和酸度、吸附容量大的优点。制备该材料有两种方法:(1)再结晶非晶态的介孔硅制作出沸石结构骨架(2)利用沸石结构作为硅源与表面活性剂混合产生双重孔隙大小分布的微孔/介孔复合材料 [18-20]。Ungureanu等人从非晶态介孔分子筛子合成固态晶体ZSM -5沸石 [21];Verhoef等人开发了以MFI微晶重结晶合成MCM-41的复合材料[22];Xu等人通过β沸石及其水解产品十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)制备合成β沸石/ MCM-41复合材料。结果表明:产品的水热稳定性可以受益于搅拌和破坏微孔颗粒的高浓度的氢氧化钠溶液[23]。Gu等人通过介孔二氧化硅和方钠石在CTAB胶束中混合组装得到铝硅酸盐材料。此外,通过纳米沸石片段在胶束中沉淀和组装合成了Y型介孔分子筛[24],这一方法比对孔壁重结晶更能提高微孔/介孔复合材料的水热稳定性和酸度。与微孔沸石相比,微孔/介孔复合材料在CO2分离中被认为是更有前途的吸附剂,因为它们具有高水热稳定性和克服分子可能性扩散限制的能力。Yue等[25]合成的MFI/MCM-41复合材料表现出比其他微孔分子筛和介孔二氧化硅更好的二氧化碳吸附能力。在1000 kPa和298 K下, MFI/MCM-41复合材料对二氧化碳吸附量高达4。08 mmol/g-1。这些观察都强烈支持了微孔/介孔复合材料是有前途的二氧化碳分离吸附剂。
1。3 分子模拟技术
沸石分子筛作为吸附剂和催化剂而被广泛使用[26-27],因此了解吸附质分子在沸石分子筛孔道中吸附特性尤其重要,对研究分子筛的分离和催化性能也有重大意义。但是传统实验方法很难从分子水平上得到相关信息[28],这种情况下分子模拟对实验有很好补充作用[29]。随着计算机技术飞速发展,分子模拟已经成为与实验、理论方法并列的三大科学研究方法之一[30-32]。由于大批报导的分子模拟预测结果与实验结果相一致[33-35],Smit[14]等指出通过分子模拟可以准确地预测纯组分在沸石分子筛中的平衡吸附量[36]。
分子模拟(Molecular Simulation)又称“计算机模拟”或“计算机实验”,是以计算机为工具,构建原子模型来模拟分子行为与结构,从而得到体系中各种理化性质。分子模拟能够模拟目前物理实验无法发现的物理现象和过程,从而构建新理论;替代以往的合成方法、结构分析与检测等试验而进行新材料设计开发;研究反应中过渡态、机理等问题;还能够模拟计算体系各种光谱,更加合理地阐述实验结果,解析产品结构[37]。
计算机仿真揭示原子层面上的吸附过程[38]。人们对CO2和CH4在沸石或介孔二氧化硅中吸附进行了大量实验和计算[39-42]。而关于微孔/介孔复合材料分子模拟的研究很少有报道。Xi等人报道了实验和分子仿真得到的ZSM-5/MCM-41复合材料[43]。Gubbins等人建立一个现实的硅基介孔分子分子筛SBA-15,其孔壁上包括大型圆柱孔道和较小的孔道,并使用GCMC方法研究氩在这种分子筛上的吸附模拟[44]。
1。3。1 模拟软件
Materials Studio(简称MS)是一款主流的分子模拟软件。它能帮助研究者方便快捷地构建3D分子模型,可以从分子或原子层面分析无机晶体、有机晶体、聚合物及无定形材料,可以在流体性质、聚合物、催化剂、固体化学、结晶学、晶粉衍射等研究领域[45-50]辅助解释实验现象或者进行性能预测,操作简单易学,并且能够获得切实可靠的数据。