新型钾离子筛结构优化及K+/Na+离子交换过程的研究

论文摘要

本文以Al2（SO4）3、水玻璃、KOH为主要原料,采用水热合成法合成了新型钾离子筛晶体。考察了晶种、合成时间、合成次数和模板剂对钾离子筛晶体尺寸的影响。利用SEM和XRD测试对合成的晶体进行表征。结果表明,加入晶种有利于钾离子筛大晶体的生成。合成时间和次数也影响合成的钾离子筛晶体尺寸,最佳合成时间和次数是连续合成3次,每次24小时。不同的模板剂对合成晶体的影响也不同,研究发现,实验合成的新型钾离子筛晶体的最适模板剂是正丁胺与二乙醇胺组成的双模板剂。采用上述最佳条件,实验合成了32.9μm的新型钾离子筛晶体。使用Materials studio 5.0软件包中的Visualizer重新搭建了硅铝比为3的钙十字沸石晶胞模型,并用CASTEP模块对钙十字沸石结构模型进行了几何优化。结果表明,优化后结构趋于规则,体系的能量由-15517.659eV降低到-15520.4542eV,能量更低,更稳定。本文对钙十字沸石孔道中Na+迁徙轨迹,以及孔道中K+/Na+的离子交换过程进行了分子动力学模拟研究。Na+在钙十字沸石孔道中的动力学模拟表明,Na+优先吸附在Al原子的取代位,Al原子在孔道中的分布决定着钙十字沸石孔道中阳离子的分布位置。钙十字沸石分子孔道中K+/Na+离子交换的分子动力学模拟表明,由于在沸石孔道中不同离子间以及阳离子与骨架上原子间的相互作用力,从而导致沸石孔道中K+/Na+离子交换过程的发生,说明钙十字沸石对K+有更好的选择吸附性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 序言
• 第一章 沸石分子筛概述
• 1.1 沸石分子筛的研究
• 1.1.1 沸石分子筛的合成机理
• 1.1.2 沸石分子筛的合成方法
• 1.1.3 沸石分子筛合成的影响因素
• 1.1.4 沸石分子筛的表征
• 1.2 沸石分子筛的应用
• 1.2.1 气体混合物的分离
• 1.2.2 有机物中水或极性分子的分离
• 1.2.3 催化反应
• 1.2.4 离子交换
• 1.3 新型钾离子筛合成概况
• 1.4 大晶粒分子筛的发展概况
• 1.4.1 大晶粒分子筛的研究进展
• 1.4.2 大晶粒分子筛的合成方法
• 1.4.3 大晶粒分子筛合成的影响因素
• 1.5 本课题研究的目的和意义
• 第二章 分子模拟概述
• 2.1 分子模拟的概念
• 2.2 分子模拟常用方法
• 2.2.1 量子力学方法（QM）
• 2.2.2 分子力学方法（MM）
• 2.2.3 分子动力学方法（MD）
• 2.2.4 蒙特卡罗方法（MC）
• 2.3 分子模拟在沸石研究中的应用及研究现状
• 2.4 分子动力学模拟
• 2.4.1 分子动力学原理简介
• 2.4.2 从头算分子动力学
• 2.4.3 平衡态分子动力学模拟
• 2.4.4 Materials Studio 软件简介
• 第三章 新型钾离子筛晶体合成的实验研究
• 3.1 新型钾离子筛晶体合成
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验装置图
• 3.2 新型钾离子筛的合成
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 晶种对新型钾离子筛晶体合成的影响
• 3.3.2 合成时间对新型钾离子筛晶体合成的影响
• 3.3.3 合成次数对新型钾离子筛晶体合成的影响
• 3.3.4 模板剂对新型钾离子筛晶体合成的影响
• 3.3.5 小结
• +/Na⁺离子交换的计算机模拟'>第四章 钙十字沸石上K⁺/Na⁺离子交换的计算机模拟
• 4.1 钙十字沸石模型的构建
• 4.2 钙十字沸石的模型优化
• 4.2.1 优化参数的设置
• 4.2.2 模拟结果与讨论
• +在钙十字沸石分子孔道中的分子动力学模拟'>4.3 Na⁺在钙十字沸石分子孔道中的分子动力学模拟
• +的添加'>4.3.1 模拟参数的设置及Na⁺的添加
• 4.3.2 结果与讨论
• -钙十字沸石的分子动力学模拟'>4.4 含一个水分子的Na^-钙十字沸石的分子动力学模拟
• 2O分子结构的绘制及优化'>4.4.1 H₂O分子结构的绘制及优化
• 2O的添加'>4.4.2 模拟参数设置及H₂O的添加
• 4.4.3 结果与讨论
• +/Na⁺离子交换的分子动力学模拟'>4.5 钙十字沸石分子孔道中K⁺/Na⁺离子交换的分子动力学模拟
• +的添加'>4.5.1 模拟参数设置及K⁺的添加
• 4.5.2 结果与讨论
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果