密度泛函理论研究Al在丝光沸石骨架中的取代位置和NH_3的吸附(英文)

采用色散校正密度泛函方法(DFT-D2)计算了Al同晶取代进入H-[Al]MOR丝光沸石骨架中可能的位置及其对NH3分子吸附表征Brnsted酸性。热力学上,Al优先取代位是T2O5位,接着是T4O2、T1O7和T3O1位,能量差仅在0.03~0.07 eV,表明Al可能分布在四种非等价晶体T位。同时,电荷平衡质子的位置影响Al取代位的稳定性,数据表明电荷平衡质子与O5位结合的可能性最大。另外,用DFT和DFT-D2方法计算了NH3分子在每一个Al取代的T位的吸附能,通过比较,DFT低估了NH3吸附能0.41 eV,表明色散校正DFT-D2方法对于NH3吸附是很有必要的,T2O5位的Brnsted酸性最强。     

Fe在丝光沸石骨架中取代位置的DFT研究

用密度泛函理论(DFT)方法研究了Fe同晶取代进入丝光沸石骨架后可能存在的位置,并确定了与电荷平衡质子结合的氧位置.能量分析表明Fe在丝光沸石骨架中最容易进入T2和T4位;当Fe分别在T2和T4位时,电荷平衡质子与O2和O10结合的可能性最大.     

密度泛函理论研究Al在丝光沸石骨架中的取代位置和NH3的吸附

采用色散校正密度泛函方法（DFT-D2）计算了Al同晶取代进入H-[Al]MOR丝光沸石骨架中可能的位置及其对NH₃分子吸附表征Brönsted酸性。热力学上,Al优先取代位是T2O5位,接着是T4O2、T1O7和T3O1位,能量差仅在0.03~0.07 eV,表明Al可能分布在四种非等价晶体T位。同时,电荷平衡质子的位置影响Al取代位的稳定性,数据表明电荷平衡质子与O5位结合的可能性最大。另外,用DFT和 DFT-D2方法计算了NH₃分子在每一个Al取代的T位的吸附能,通过比较,DFT低估了NH₃吸附能0.41 eV,表明色散校正DFT-D2方法对于NH₃吸附是很有必要的,T2O5位的Brönsted酸性最强。     

建筑形象那些事

含铜的SSZ-39分子筛（AEI拓扑结构）在机动车尾气氨气选择性催化还原(NH3-SCR)反应中性能优异,其中SSZ-39分子筛的骨架铝分布与对应的Br?nsted酸性质对反应性能影响至关重要。本文通过密度泛函理论计算同时结合固体核磁共振谱学实验探究了高硅和富铝SSZ-39分子筛骨架Al位置以及与相应Br?nsted酸强度之间的关系。通过比较骨架Al在不同位置的替代能发现,高硅H-SSZ-39分子筛的骨架铝主要以孤立Al形式存在,同晶取代后落位在T3位上,其相应的Br?nsted酸质子与O7结合时最稳定。而富铝SSZ-39分子筛的骨架铝主要以NNNN与NNN序列的2Al形式存在,当两个骨架铝原子分别位于六元环和四元环对位的T3位上时体系能量最低,此时两个Br?nsted酸质子指向分子筛的超笼和八元环孔道。在最优构型下计算质子亲核势、NH3吸附态微观结构与脱附能以及吸附氘代乙腈后1H NMR化学位移来表征Br?nsted酸性,发现随着SSZ-39分子筛铝含量增加相应的Br?nsted酸含量增加,而Br?nsted酸强度趋于减弱。这些理论计算结果与NH3-TPD及吸附氘代乙腈的1H MAS NMR实验结果一致。本文为调控SSZ-39分子筛酸性以及合理设计高效催化剂提供了依据。     

密度泛函理论结合固体核磁共振谱学研究SSZ-39分子筛骨架铝分布与Br?nsted酸性关系

含铜的SSZ-39分子筛(AEI拓扑结构)在机动车尾气氨气选择性催化还原(NH_3-SCR)反应中性能优异,其中SSZ-39分子筛的骨架铝分布与对应的Br?nsted酸性质对反应性能影响至关重要.我们通过密度泛函理论计算同时结合固体核磁共振谱学实验探究了高硅和富铝SSZ-39分子筛骨架Al位置以及与相应Br?nsted酸强度之间的关系.通过比较骨架铝在不同位置的取代能发现,高硅H-SSZ-39分子筛的骨架铝主要以孤立Al形式存在,同晶取代后落位在T3位上,其相应的Br?nsted酸质子与O7结合时最稳定.而富铝SSZ-39分子筛的骨架铝主要以NNNN与NNN序列的2Al形式存在,当两个骨架铝原子分别位于六元环和四元环对位的T3位上时体系能量最低,此时两个Br?nsted酸质子指向分子筛的超笼和八元环孔道.在最优构型下计算质子亲核势、 NH_3吸附态微观结构与脱附能以及吸附氘代乙腈后~1H NMR化学位移来表征Br?nsted酸性,发现随着SSZ-39分子筛铝含量增加相应的Br?nsted酸含量增加,而Br?nsted酸强度趋于减弱.这些理论计算结果与NH_3-TPD及吸附氘代乙腈的1H MASNMR实验结果一致,为调控SSZ-39分子筛酸性以及合理设计高效催化剂提供了依据.     

Beta分子筛中Al的分布和Brφnsted酸的酸性强度

基于量子化学中的密度泛函理论(DFT),研究了Beta分子筛中骨架Al在9个不同T位的分布和Br(o)nsted酸的分布及其强度.计算采用8T簇模型和B3LYP/6-31G(d,p)方法,得到了不同T位的Al/Si替代能、(Al,H)/Si替代能和质子亲和势,以及碱性探针分子NH3在Beta分子筛酸性位的吸附能.结果表明,骨架Al和Br(o)nsted酸优生位于Beta分子筛的T5和T6位;其中酸性最强的位置是Al5-O14-Si9,最弱的位置是Al7-O3-Si1.     

EU-1分子筛相邻酸性位的DFT计算和酸性表征

利用量子力学中的密度泛函理论(DFT),对EU-1分子筛中与T1、T2、T3、T6、T7、T8位相邻的骨架铝原子的落位稳定性及酸强度进行理论计算.通过计算得知,双Al原子在EU-1分子筛骨架中优先落位于Al7(Si6-Si7)Al8、Al1(Si2-Si2)Al1、Al2(Si1-Si2)Al2、Al1(Si2-Si2)Al3、Al1(Si2)Al3;根据(Al/Si,H)取代能确定了质子的落位,质子氢较易落位于(O12-H)Al1-(O12-H)Al1、(O12-H)Al1-Al1(O13-H)、(O12-H)Al1-Al1(O12-H)、(O14-H)Al2-(O14-H)Al2、Al2(O12-H)-(O14-H)Al2、Al1(O12-H)-(O15-H)Al3、(O26-H)Al7-Al8(O28-H);且根据质子亲和势分析知,EU-1分子筛骨架中质子氢落位于NNN位的Brnsted酸强度小于NNNN位.借助1H MAS NMR分析合成的不同硅铝比的样品,可知硅铝比低的EU-1分子筛Brnsted酸吸收峰的面积增加;由NH3-TPD可知硅铝比低的EU-1分子筛的强酸脱附峰温度降低,酸强度减小.硅铝比低的EU-1分子筛的强酸表现出酸量高、酸强度低的性质.     

Beta分子筛中Al的分布和Brφnsted酸的酸性强度

基于量子化学中的密度泛函理论(DFT), 研究了Beta分子筛中骨架Al在9个不同T位的分布和Brφnsted酸的分布及其强度. 计算采用8T 簇模型和B3LYP/6-31G(d,p)方法, 得到了不同T位的Al/Si替代能、(Al, H)/Si替代能和质子亲和势, 以及碱性探针分子NH3在Beta分子筛酸性位的吸附能. 结果表明, 骨架Al和Brφnsted酸优生位于Beta分子筛的T5 和T6 位; 其中酸性最强的位置是Al5-O14-Si9, 最弱的位置是Al7-O3-Si1.     

β分子筛中BrΦnsted酸分布及酸性强度的量子化学ONIOM理论计算研究

基于量子化学ONIOM [B3LYP/6-31G(d,p):UFF]计算方法,研究了β分子筛中BrΦnsted酸的落位及其酸性强度.计算采用22T簇模型,得到了不同酸性位的(Al,H)/Si替代能和质子亲和势.研究结果表明,BrΦnsted酸最有可能落位在Al(8)-O(11).Si(4),Al(8)-O(4)-Si(1),Al(7)-O(7)-Si(2)和Al(9)-O(6)-Si(3)位置.根据去质化能的计算,Al(7)-O(7)-Si(2)位置的酸性最强,A1(8)-O(11)-Si(4)的酸性最弱.酸性的强弱顺序为Al(7)-O(7)-Si(2)＞Al(9)-O(6)-Si(3)＞Al(8)-0(4)-Si(1)＞Al(8)-O(11)-Si(4).     

DFT计算结合固体NMR研究富铝SSZ-13的铝分布和Br?nsted酸性

具有菱沸石(CHA)结构的SSZ-13分子筛在甲醇制烯烃(MTO)及柴油机车尾气氨选择性催化还原(NH_3-SCR)反应中具有重要的应用,采用富铝SSZ-13可以调节MTO反应的烯烃选择性和提升NH_3-SCR的低温脱硝活性,因此SSZ-13中的铝含量和分布与对应的酸性决定了其催化性能。本文采用密度泛函理论结合固体核磁共振实验研究了富铝和富硅HSSZ-13的Al位置与Br?nsted酸强度的内在关系。通过计算取代能发现,对于孤立Al位,质子位于Al周围4个不同O位时能量差异较小,最稳定的B酸位点是O(1)―H。对于富铝SSZ-13,两个Al原子位于同一六元环的对位是Al-Si-Si-Al (NNNN)序列中最稳定的结构,而Al-Si-Al (NNN)序列中能量最优的Al分布是两个铝原子排布于六棱柱上下不同的六元环上。通过计算最稳定构型下的质子亲和势、NH3脱附能和吸附氘代乙腈后的1H NMR化学位移,发现富铝SSZ-13中含有Si(2Al)分布的NNN序列导致了其Br?nsted酸强度弱于高硅的分子筛。分峰拟合29Si魔角旋转核磁共振(MASNMR)谱图表明富铝SSZ-13中Si(2Al)的含量在43%以上,而吸附氘代乙腈后的1H MAS NMR实验显示富铝SSZ-13的桥羟基化学位移向低场移动,进一步证明富铝SSZ-13具有较弱的Br?nsted酸强度。     

Framework Stability and Brønsted Acidity of Isomorphously Substituted Interlayer‐Expanded Zeolite COE‐4: A Density Functional Theory Study

COE‐4 zeolites possess a unique two‐dimensional ten‐ring pore structure with the Si(OH)₂ hydroxyl groups attached to the linker position between the ferrierite‐type layers, which has been demonstrated through the interlayer‐expansion approach in our previous work (H. Gies et al. Chem. Mater.­ 2012 , 24, 1536). Herein, density functional theory is used to study the framework stability and Brønsted acidity of the zeolite T‐COE‐4, in which the tetravalent Si is isomorphously substituted by a trivalent Fe, B, Ga, or Al heteroatom at the linker position. The influences of substitution energy and equilibrium geometry parameters on the stability of T‐COE‐4 are investigated in detail. The relative acid strength of the linker position is revealed by the proton affinity, charge analysis, and NH₃ adsorption. It is found that the range of the 〈T‐O‐Si〉 angles is widened to maintain the stability of isomorphously substituted T‐COE‐4 zeolites. The smaller the 〈O1‐T‐O2〉 bond angle is, the more difficult is to form the regular tetrahedral unit. Thus, the substitution energies at the linker positions increase in the following sequence: Al‐COE‐4 < Ga‐COE‐4 < Fe‐COE‐4 < B‐COE‐4. The adsorption of NH₃ as a probe molecule indicates that the acidity can affect the hydrogen‐bonding interaction between (N?H???O2) and (N???H?O2). The relative Brønsted‐acid strength of the interlayer‐expanded T‐COE‐4 zeolite decreases in the order of Al‐COE‐4 > Ga‐COE‐4 > Fe‐COE‐4 > B‐COE‐4. These findings may be helpful for the structural design and functional modification of interlayer‐expanded zeolites.     

MCM-22分子筛酸性的DFT理论计算研究

本文利用量子力学中的密度泛函理论(DFT)计算，研究了MCM-22分子筛上骨架Al在8个不同的T位的分布和Br?nsted酸的落位及强度。所有计算基于分子筛的8T簇模型 (H₃SiO)₃Si-O(H)-T(OSiH₃)₃(T=Si，Al)，采用DFT的BLYP方法，所有原子均应用DNP基组。通过计算(Al，H)/Si替代能和质子亲和势，得出推论：MCM-22分子筛中骨架Al的最有利落位在T1，T4，T3和T8位。而形成Br?nsted-酸的最可能的位置为Al1-O3-Si4，Al4-O3-Si1，Al3-O11-Si2和Al8-O10-Si2桥基。Al1-O3H-Si4和Al4-O3H-Si1位的酸性强度接近，Al3-O11H-Si2和Al8-O10H-Si2位的酸性分别略低于和略高于前两个酸位。通过计算模板剂分子六次甲基亚胺(HMI)与B-酸中心的相互作用，进一步探讨了HMI对分子筛中Al落位的靶向作用。     

杂原子沸石的二次合成及其表征——Ⅰ.含稼Y沸石

以Y型沸石为原料,(NH_4)_3GaF_6为取代剂,进行液一固类质同晶取代反应,成功地制备出骨架含Ga的[Ga]Y系列沸石,并用化学分析、IR、XRD、DTA等多种方法进行了表征。与(NH_4)_2SiF_6对Y沸石的脱Al补Si不同,脱Al补Ga反应可以在取代剂Ga/沸石中Al(原子比)大于1.0条件下进行,沸石达到高度脱Al补Ga,但仍维持良好的结晶度,[Ga]Y的空穴浓度几无增加,部分Ga处于骨架外,不为NH_4Cl所交换,Ga进入Y沸石后,其晶胞参数增大,热稳定性下降,红外骨架振动频率向低频位移,B酸酸量减少,L酸酸量增加,且变化程度与Ga对Al的取代程度有对应关系。     

β分子筛中Brønsted酸分布及酸性强度的量子化学ONIOM 理论计算研究

基于量子化学ONIOM [B3LYP/6-31G(d,p):UFF]计算方法, 研究了β分子筛中Brønsted酸的落位及其酸性强度. 计算采用22T簇模型, 得到了不同酸性位的(Al, H)/Si替代能和质子亲和势. 研究结果表明, Brønsted酸最有可能落位在Al(8)-O(11)-Si(4), Al(8)-O(4)-Si(1), Al(7)-O(7)-Si(2)和Al(9)-O(6)-Si(3)位置. 根据去质化能的计算, Al(7)-O(7)-Si(2)位置的酸性最强, Al(8)-O(11)-Si(4)的酸性最弱. 酸性的强弱顺序为Al(7)-O(7)-Si(2)＞Al(9)-O(6)-Si(3)＞Al(8)-O(4)-Si(1)＞Al(8)-O(11)-Si(4).     

On the location of Lewis acidic aluminum in zeolite mordenite and the role of framework-associated aluminum in mediating the switch between Brønsted and Lewis acidity

Lewis acidic aluminum in zeolites, particularly acidity that is inherent to the framework, is an indeterminate concept. A fraction of framework aluminum changes geometry to octahedral coordination in the proton form of zeolite mordenite. Such octahedrally coordinated aluminum is the precursor of a Lewis acid site and its formation is accompanied by a loss in Brønsted acidity. Herein, we show that such Lewis acid sites have a preferred location in the pore structure of mordenite. A greater proportion of these Lewis acid sites resides in the side-pockets than in the main channel. By reverting the octahedrally coordinated aluminum back to a tetrahedral geometry, the corresponding Brønsted acid sites are restored with a concomitant loss in the ability to form Lewis acid sites. Thereby, reversible octahedral–tetrahedral aluminum coordination provides a means to indirectly switch between Lewis and Brønsted acidity. This phenomenon is unique to Lewis acidity that is inherent to the framework, thereby distinguishing it from Lewis acidity originating from extra-framework species. Furthermore, the transformation of framework aluminum into octahedral coordination is decoupled from the generation of distorted tetrahedrally coordinated aluminum, where the latter gives rise to the IR band at 3660 cm⁻¹ in the OH stretching region.

Framework-associated aluminum is demonstrated to facilitate a reversible switch between Lewis and Brønsted acidity in zeolites with the Lewis acid sites preferentially populating the side-pockets in the case of mordenite.     

无胺法合成高硅丝光沸石的表征

采用XRD、SEM、FT-IR、MAS NMR等表征手段, 对以氟离子为结构导向剂无胺法合成的高硅丝光沸石进行了表征. 结果表明: 高硅丝光沸石结构属立方晶系, 晶胞参数小于传统低硅丝光沸石, 但b、c值要比相近硅铝比非氟体系合成的丝光沸石样品的大; 样品形貌及粒径与其硅铝比有关, 表明晶化条件对产物形貌及粒径均有影响; 随硅铝比的增大, FT-IR光谱中450、544、1053 cm-1谱带向高频移动, 720 cm-1谱带强度减弱, 表明骨架中铝减少而硅增多; 采用含氟无胺体系合成高硅丝光沸石时基本上不会产生非骨架铝.     

Characterization of acidity in [B], [Al], and [Ga] isomorphously substituted ZSM‐5: Embedded DFT/UFF approach

The structure and electronic properties of the Brønsted acid site in B, Al or Ga isomorphously substituted ZSM‐5 zeolites were studied by using quantum cluster and embedded ONIOM approaches. In the former approach, zeolites are modeled by 5T and 12T quantum clusters, where T represents a Si or Al atom. In the latter model, called “Embedded ONIOM”, the long‐range interactions of the zeolite lattice beyond the 12T quantum cluster is included via optimized point charges added to the ONIOM(B3LYP/6‐31G(d,p):UFF). Inclusion of the extended zeolitic framework covering the nanocavity has an effect on the structure and adsorption properties. We found that the OH distances and v OH of the acidic proton in zeolite obtained from both models can predict the trend of acid strength as: B‐ZSM‐5 < Ga‐ZSM‐5 < Al‐ZSM‐5, which is in very good agreement with the experimental sequence. Furthermore, the PA data calculated from E‐ONIOM is also consistent with the experimental trend: B‐ZSM‐5 < Ga‐ZSM‐5 < Al‐ZSM‐5. It has, therefore, been demonstrated that our embedded ONIOM model provides accurate performance and can be one of the useful and affordable methods for future mechanistic studies involving petrochemical reactions. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2011