A Classical Molecular Dynamics Study on the Effect of Si/Al Ratio and Silanol Nest Defects on Water Diffusion in Zeolite HY
A Classical Molecular Dynamics Study on the Effect of Si/Al Ratio and Silanol Nest Defects on Water Diffusion in Zeolite HY
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硅铝比和硅烷醇巢缺陷对HY沸石水扩散影响的经典分子动力学研究
DOI：
10.1021/acs.jpcc.1c01094
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Porter A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Porter A
采用经典分子动力学方法研究了300 K下HY沸石中水的扩散行为，考察了水含量、硅铝比和硅醇巢缺陷对水在布氏酸性八面沸石（FAU）中扩散行为的影响.研究表明，5至33wt%范围内的水负载对扩散率具有显着影响，在负载范围内，向最大扩散率增加了0.7倍。在探测Si/Al比（在Si/Al = 5至完全硅质的范围内）的影响时，水扩散率倾向于随着布朗斯台德酸位点的浓度而降低，布朗斯台德酸位点显示出与水分子的强相互作用，从而阻碍分子流动性。吸附到每个布朗斯台德酸网站的水的平均停留时间也降低了水负载量和Si/Al比。水扩散率在18重量%负载下显示出对Si/Al比的最高依赖性，因为在最低负载下观察到系统中缺乏总流动性（由于通过与骨架和布朗斯台德酸位点的相互作用固定了大量的水分子），并且由于山梨酸酯-山梨酸酯相互作用的普遍性，在最高负载下观察到较少的依赖性。值得注意的是，硅烷醇巢的存在（浓度为1每单位电池）没有显着的影响水在HY中的扩散率在任何水负载或Si/Al比。考虑这种缺乏影响的原因包括硅烷醇的几何形状和在环境温度下的灵活性和潜在的缺陷部位的有效电荷密度较低。
The diffusion of water confined in zeolite HY has been studied using classical molecular dynamics at 300 K to probe the effects of water loading, Si/Al ratio, and silanol nest defect presence on the behavior of water confined in Brønsted acidic faujasite (FAU) zeolites. Water loading, ranging from 5 to 33 wt %, is shown to have a significant effect on diffusivity, showing an increase by a factor of ∼7 over the loading range, toward a maximum diffusivity. Upon probing the effect of Si/Al ratio (in a range of Si/Al = 5 to fully siliceous), water diffusivity tends to decrease with the concentration of Brønsted acid sites which show strong interactions with the water molecules and thus hinder molecular mobility. The average residence time of water adsorbed to each Brønsted acid site also decreased with both water loading and Si/Al ratio. Water diffusivity shows the highest dependency on Si/Al ratio at 18 wt % loading, as a lack of total mobility in the systems at the lowest loadings is observed (due to significant populations of water molecules being immobilized via interaction with the framework and Brønsted acid sites), and less of a dependence is observed at the highest loadings due to the prevalence of sorbate–sorbate interactions. Notably, silanol nest presence (at a concentration of 1 per unit cell) had no significant effect on the diffusivity of water in HY at any water loading or Si/Al ratio. Reasons considered for this lack of influence include silanol geometry and flexibility at ambient temperature and potentially a lower effective charge density of the defect site.
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