陳樹(shù)軍,裴劍霖,付越,張亞雪
改性MCM?41孔內(nèi)水分子吸附擴(kuò)散行為的模擬研究
陳樹(shù)軍1,2,裴劍霖1,付越3,張亞雪1
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580; 2.青島市化石能源高效清潔利用工程研究中心,山東 青島 266580; 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院,山東 青島 266580)
通過(guò)構(gòu)建多種官能團(tuán)負(fù)載的MCM?41骨架模型,使用GCMC與MD模擬方法計(jì)算了水分子在不同親疏水性質(zhì)的MCM?41孔內(nèi)的吸附及擴(kuò)散性質(zhì)。結(jié)果表明,MCM?41材料的水吸附等溫線主要為Ⅱ型;負(fù)載到MCM?41孔表面的親水官能團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵,因此對(duì)水分子的相互作用力較疏水官能團(tuán)高約114.27%;MCM?41孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散能力與表面官能團(tuán)的親水性呈正相關(guān),親水表面的材料內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)相較于疏水表面擴(kuò)散系數(shù)高約58.82%;證明了親水表面的MCM?41材料在含水環(huán)境中對(duì)孔內(nèi)水分子的吸附擴(kuò)散行為具有一定促進(jìn)作用。
分子模擬; 分子擴(kuò)散; 吸附等溫線; 動(dòng)力學(xué)
MCM?41材料是一種有序介孔硅材料,具有孔徑可調(diào)、易于改性等多種特點(diǎn)[1]。因此,它廣泛應(yīng)用于氣體捕獲[2]、氣體分離[3]、催化反應(yīng)[4]等多個(gè)方面。工業(yè)應(yīng)用中的許多場(chǎng)景不可避免地存在部分水,而這些水分子對(duì)材料或工藝過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。A.Pajzderska等[5]研究了三種不同孔隙填充率下水分子在MCM?41材料孔內(nèi)的分布及平移遷移率,結(jié)果表明,孔內(nèi)的水分子從動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的差異可分為核心水與表面水兩種不同的類型。梁世強(qiáng)等[6]采用數(shù)值模擬方法研究了不同金屬離子的負(fù)載對(duì)MCM?41吸附水分子的影響,結(jié)果表明,高電荷離子可以增強(qiáng)MCM?41骨架的極性,進(jìn)而對(duì)水的吸附有一定的促進(jìn)作用。研究MCM?41材料孔內(nèi)水分子的吸附擴(kuò)散行為,可以明確不同工藝條件下水分子對(duì)孔內(nèi)其他物質(zhì)的影響。例如,水分子會(huì)影響MCM?41材料孔內(nèi)負(fù)載的催化劑的催化效果及穩(wěn)定性。因此,了解水分子在MCM?41材料孔內(nèi)的吸附擴(kuò)散行為非常必要。
材料的表面性質(zhì)對(duì)MCM?41材料孔內(nèi)水分子的吸附擴(kuò)散行為影響較大[7]。由于MCM?41材料表面具有一系列可供官能團(tuán)嫁接的硅醇活性基團(tuán)[8],這些基團(tuán)為通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者模擬的方法對(duì)MCM?41材料表面性質(zhì)進(jìn)行修飾提供了良好的基礎(chǔ)。目前,熱縮聚合法[9]和嫁接法[10]均已被證實(shí)是MCM?41官能團(tuán)負(fù)載的有效方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法將不同官能團(tuán)負(fù)載到MCM?41材料表面,可以有效改變其表面的親疏水性質(zhì),進(jìn)而影響孔內(nèi)水分子的密度分布以及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。李建芳[11]采用硅烷化方法使MCM?41材料表面的結(jié)合水含量大幅度降低,從而有效地提高了MCM?41的水穩(wěn)定性。何龍等[12]將3?氯丙基三甲氧基硅烷接枝在MCM?41材料上,使功能化后的MCM?41與水的接觸角達(dá)到157.9°,MCM?41材料從親水材料變?yōu)橐环N超疏水材料。V.Chashchikhin等[13]計(jì)算了水分子在MCM?41孔內(nèi)的吉布斯自由能,結(jié)果表明,MCM?41表面官能團(tuán)的改變使孔內(nèi)水分子的吉布斯自由能發(fā)生相應(yīng)的改變。但是,通過(guò)實(shí)驗(yàn)大規(guī)模合成改性材料需要較長(zhǎng)的時(shí)間以及較為復(fù)雜的工藝條件,難以對(duì)大量的官能團(tuán)類型進(jìn)行對(duì)比研究。
作為實(shí)驗(yàn)研究的替代技術(shù),分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬可以預(yù)測(cè)客體分子在多孔材料內(nèi)部的擴(kuò)散情況。與實(shí)驗(yàn)方法不同,分子模擬不受實(shí)驗(yàn)合成過(guò)程中固有的變化和不確定性的影響,可使用理想的、典型的單孔模型來(lái)推導(dǎo)材料的宏觀性質(zhì)。這些模擬可以在分子水平上提供客體分子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果,特別是可以進(jìn)一步理解表面基團(tuán)對(duì)客體分子擴(kuò)散的影響。通過(guò)這種方法,分子模擬可以作為定性設(shè)計(jì)工具來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成需求的材料[14]。本文通過(guò)蒙特卡洛(GCMC)以及MD兩種數(shù)值模擬方法,研究不同親疏水性質(zhì)的官能團(tuán)負(fù)載到MCM?41表面對(duì)孔內(nèi)水分子的吸附以及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響。
MCM?41模型是無(wú)定形二氧化硅層中的部分特定結(jié)構(gòu),并使用活性羥基填充殘缺的鍵位而得到的如圖1所示MCM?41?OH模型。晶胞參數(shù)為:=6.42 nm,=4.28 nm,=2.14 nm。通過(guò)氨基、羧基、巰基、甲基、苯基、丁基六種官能團(tuán)改性MCM?41。其中,未改性MCM?41材料與氨基、羧基、巰基改性的MCM?41材料為親水類材料,甲基、苯基、丁基改性的MCM?41材料為疏水類材料。水分子使用tip4p模型[15],該水模型引入了一個(gè)用于氧電荷的偏心位置,并對(duì)部分原子電荷和氧范德華項(xiàng)進(jìn)行了優(yōu)化,極大地改善了其計(jì)算水分子動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確性。計(jì)算模型中各原子勢(shì)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 MCM?41?OH模型
表1 計(jì)算模型中各原子勢(shì)參數(shù)
采用GCMC方法研究不同官能團(tuán)負(fù)載后的MCM?41材料水吸附性能,使用MD方法研究水分子在不同親疏水性MCM?41中的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。模擬采用周期性邊界條件,截?cái)喟霃綖?.0 nm。靜電相互作用力使用Ewald加和方法。范德華相互作用力使用L?J(Lennard Jones)勢(shì)能函數(shù)計(jì)算。GCMC計(jì)算共2×107步,其中,前1×107步用于系統(tǒng)平衡,后1×107步用于取點(diǎn)計(jì)算平均值。計(jì)算溫度為298 K,壓力最大值為對(duì)應(yīng)溫度下的水飽和蒸氣壓。MD計(jì)算中,初始模擬模型中預(yù)先吸附的水分子個(gè)數(shù)為1 000個(gè),模擬溫度為298 K,壓力為0.1 MPa,計(jì)算步長(zhǎng)為1×10-15s,每個(gè)算例計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1×10-8s。
為驗(yàn)證模型及勢(shì)參數(shù)的準(zhǔn)確性,使用MCM?41?OH材料在298 K下進(jìn)行水分子吸附等溫線模擬,并與S.I.Furukawa等[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量是差額吸附量,此處需要將模擬得到的絕對(duì)吸附量換算為差額吸附量。差額吸附量可根據(jù)式(1)計(jì)算。
圖2為吸附等溫線模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果。從圖2可以看出,模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較吻合,整體誤差在8.77%~1.26%,證明實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型和力場(chǎng)參數(shù)具有可靠性,可以進(jìn)行后續(xù)研究。
圖2 吸附等溫線模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果
表2為不同官能團(tuán)負(fù)載后MCM?41的比表面積、孔隙率及孔容積。由表2可知,負(fù)載官能團(tuán)后MCM?41的比表面積及孔隙率均有所減小,且客體分子的相對(duì)原子質(zhì)量越大,比表面積下降越明顯。
圖3為不同親疏水表面MCM?41吸附水分子的吸附等溫線。
表2 不同官能團(tuán)負(fù)載后MCM?41的比表面積、孔隙率及孔容積
圖3 不同親疏水表面MCM?41吸附水分子的吸附等溫線
從圖3可以看出,對(duì)于鏈狀或較小分子官能團(tuán)改性后的MCM?41,其吸附等溫線均為V型,對(duì)于苯基官能團(tuán),其吸附表現(xiàn)為Ⅰ型吸附等溫線。親水官能團(tuán)的平臺(tái)吸附量約為1 000 m/u,而疏水官能團(tuán)的平臺(tái)吸附量約為500 m/u。這體現(xiàn)了官能團(tuán)的親疏水性對(duì)水分子在MCM?41孔內(nèi)堆積行為的影響。親水MCM?41表面的親水官能團(tuán)與孔隙中水分子的相互作用主要以氫鍵的形式進(jìn)行,而疏水MCM?41的表面官能團(tuán)只能通過(guò)范德華力與水進(jìn)行相互作用[19]。這導(dǎo)致具有親水表面的MCM?41孔隙中的水分子在靠近壁面的位置擁有更大的數(shù)密度,而疏水表面MCM?41孔隙中的水分子更多的是以團(tuán)簇的形式存在。其中,苯基官能團(tuán)由于其較強(qiáng)的疏水性,且官能團(tuán)不易折疊,在不同官能團(tuán)之間容易形成微孔結(jié)構(gòu),故其水吸附等溫線為Ⅰ型等溫線。
通過(guò)計(jì)算孔隙中水分子與官能團(tuán)之間的相互作用能,可以得到不同官能團(tuán)對(duì)水分子的作用強(qiáng)度,進(jìn)而明確不同官能團(tuán)對(duì)水分子吸附行為的影響。圖4為不同官能團(tuán)與水分子的相互作用能。在模擬中,將孔內(nèi)的水分子按照距離孔中心的徑向距離()劃分為4個(gè)不同的區(qū)域,分別計(jì)算不同區(qū)域的水分子與孔表面官能團(tuán)的相互作用能,將4個(gè)區(qū)域的相互作用能求和即得到每一類改性MCM?41材料中水分子與官能團(tuán)的總相互作用能。
圖4 不同官能團(tuán)與水分子的相互作用能
從圖4可以看出,由于羥基官能團(tuán)能夠與水分子形成較為穩(wěn)固的氫鍵,故其與水分子之間的相互作用能最大。不同官能團(tuán)主要對(duì)孔隙中靠近表面0.40 nm的距離以內(nèi)(1.30~1.70 nm)的水分子影響較為明顯,此時(shí)親水官能團(tuán)與水的相互作用較大,而疏水官能團(tuán)則相對(duì)較小。超過(guò)這個(gè)距離后(0~1.30 nm),范德華力為水分子和官能團(tuán)之間的主要相互作用力,此時(shí)相互作用力的大小只與水分子和官能團(tuán)的距離有關(guān)。材料的孔徑越小,這部分水分子與官能團(tuán)的相互作用越強(qiáng)。值得注意的是,部分官能團(tuán)的相對(duì)分子質(zhì)量較大(例如羧基與苯基),在改性過(guò)程中,大分子團(tuán)簇占據(jù)孔道內(nèi)靠近孔壁的一部分體積,從而使負(fù)載到MCM?41孔內(nèi)的水分子更多地向孔中央?yún)^(qū)域(0~1.00 nm)集中。水分子與官能團(tuán)的距離越遠(yuǎn),相互作用能的數(shù)值越小,因此圖4中羧基、苯基體系的總相互作用能顯著低于其他官能團(tuán)。
總之,MCM?41表面官能團(tuán)親疏水性質(zhì)的改變極大地影響了水分子與材料表面的相互作用能,親水官能團(tuán)與水之間的相互作用力最高可達(dá)疏水官能團(tuán)與水之間的相互作用力的214.27%。
圖5為不同親疏水MCM?41孔內(nèi)水分子沿孔徑方向的數(shù)密度分布。
(a)親水官能團(tuán) (b)疏水官能團(tuán)
從圖5(a)可以看出,親水官能團(tuán)的親水性從大到小排序?yàn)椋毫u基>氨基>羧基>巰基??變?nèi)水層團(tuán)簇與孔表面之間的距離為數(shù)密度分布出現(xiàn)明顯下降的初始位置刻度與最大孔半徑(1.65 nm)之間的差值。羥基官能團(tuán)負(fù)載的MCM?41孔內(nèi)水分子團(tuán)簇距離孔內(nèi)表面約為0.30 nm,親水性最弱的SH官能團(tuán)孔內(nèi)水分子團(tuán)簇距離孔內(nèi)表面約0.60 nm。官能團(tuán)親水性的大小與水分子同官能團(tuán)的作用距離呈負(fù)相關(guān),官能團(tuán)的親水性越大,穩(wěn)定存在的水分子團(tuán)簇與MCM?41內(nèi)表面的距離越近。同時(shí),這也是親水性越大的官能團(tuán)負(fù)載的MCM?41吸附水分子的飽和吸附量越高的原因。
從圖5(b)可以看出,疏水官能團(tuán)的疏水性從大到小排序?yàn)椋杭谆?丁基>苯基。各類疏水官能團(tuán)的密度曲線特征相似,不同官能團(tuán)的疏水性質(zhì)不同,沒(méi)有影響到孔內(nèi)水分子團(tuán)簇的位置。這表明材料表面官能團(tuán)的親水性與疏水性對(duì)水分子在孔內(nèi)擴(kuò)散性的影響存在差異。N.Giovambattista等[20]通過(guò)研究親水表面與疏水表面對(duì)孔內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)現(xiàn),在親水表面壓力的增加只能增強(qiáng)水分子之間的作用,縮短水分子團(tuán)簇內(nèi)部水分子與水分子之間的距離,壓力的升高不能促使水分子向壁面移動(dòng);在疏水表面,由于水分子團(tuán)簇與孔表面的作用力有限,壓力的增加使更多的水分子被推向壁面。因此,疏水表面在與水的相互作用中,表現(xiàn)為“軟”表面,而親水表面由于與表層水之間有著更強(qiáng)的相互作用力,因此更多地表現(xiàn)為“硬”表面。
圖6為MCM?41?OH和MCM?41?CH3沿晶胞、方向的孔內(nèi)水分子數(shù)密度云圖。從圖6(a)可以看出,由于其具有強(qiáng)親水性,靠近表面的水分子團(tuán)簇與羥基官能團(tuán)形成部分氫鍵作用,因此水分子在黑色虛線與白色虛線之間的區(qū)域即孔道內(nèi)表面處具有較高的水分子數(shù)密度。從圖6(b)可以看出,水分子在其孔內(nèi)主要以水團(tuán)簇的形式存在,在靠近孔壁面處沒(méi)有觀察到水分子的數(shù)密度與孔中心水分子有差別。這也說(shuō)明在疏水孔內(nèi)官能團(tuán)對(duì)表層水分子的相互作用力僅限于范德華力,而不存在氫鍵作用力。
(a) MCM?41?OH(b) MCM?41?CH3
均方位移(MSD)代表水分子在單位時(shí)間內(nèi)位移的平方,圖7為不同官能團(tuán)負(fù)載的MCM?41孔內(nèi)水分子擴(kuò)散的MSD。
(a) 800個(gè)水分子(b) 1 000個(gè)水分子
從圖7可以看出,當(dāng)孔內(nèi)水分子負(fù)載量由800個(gè)提高到1 000個(gè)后,MSD曲線的斜率顯著降低,說(shuō)明孔內(nèi)客體分子數(shù)量的增加,限制了單個(gè)分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
為了對(duì)比MCM?41孔內(nèi)不同親疏水性質(zhì)的官能團(tuán)對(duì)水分子擴(kuò)散的影響,通過(guò)MSD計(jì)算了水分子的擴(kuò)散系數(shù):
式中,為水分子的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;2()為水分子的均方位移函數(shù),m2;為時(shí)間,s。
圖8為不同官能團(tuán)負(fù)載的MCM?41孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)。從圖8可以看出,在孔內(nèi)水分子個(gè)數(shù)相同的情況下,親水官能團(tuán)負(fù)載的孔內(nèi)水的擴(kuò)散系數(shù)大于疏水官能團(tuán)負(fù)載的孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù),且官能團(tuán)的親水性越大,水分子在其內(nèi)部的擴(kuò)散能力越強(qiáng)。親水表面的材料內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)相較于疏水表面的擴(kuò)散系數(shù)高約58.82%。介孔材料內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)為(1~4)×10-8m2/s,略高于微孔材料內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)[21]。這是因?yàn)槲⒖變?nèi)的水分子熱運(yùn)動(dòng)更多地受到了微孔材料骨架的限制,而MCM?41為介孔材料,水分子可以實(shí)現(xiàn)在孔內(nèi)的較遠(yuǎn)距離遷移。同時(shí),不論是微孔材料還是介孔材料,其材料本身的親疏水性對(duì)孔內(nèi)水分子的作用效果相同,即親水性表面促進(jìn)水分子擴(kuò)散,疏水性表面限制水分子的擴(kuò)散。
圖8 不同官能團(tuán)負(fù)載的MCM?41孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)
從圖8還可以看出,不同官能團(tuán)對(duì)水分子負(fù)載量的變化敏感度也不同。當(dāng)孔內(nèi)水分子的負(fù)載量從800個(gè)提高到1 000個(gè)時(shí),羥基官能團(tuán)負(fù)載時(shí)水分子的擴(kuò)散系數(shù)下降了21.85%,而同樣是親水性的氨基官能團(tuán)負(fù)載時(shí),水分子的擴(kuò)散系數(shù)下降了49.13%,類似的現(xiàn)象也可以在疏水官能團(tuán)中觀察到。對(duì)比表1可知,對(duì)同一親疏水類別的官能團(tuán)而言,孔表面積越大,水分子數(shù)量變化對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響越小。這是因?yàn)楸缺砻娣e較大的材料有較大的孔容積,因此當(dāng)水分子負(fù)載量增大時(shí),孔容積較大的材料,水分子的密度相對(duì)會(huì)低一些,從圖6中也能觀察到類似的現(xiàn)象。
圖9為MCM?41孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)隨孔內(nèi)水分子負(fù)載量的變化。從圖9可以看出,不論是對(duì)親水官能團(tuán)還是疏水官能團(tuán),孔內(nèi)水分子個(gè)數(shù)與水分子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律是相似的,即先隨著水分子個(gè)數(shù)的增加,水分子的擴(kuò)散系數(shù)增大;當(dāng)水分子個(gè)數(shù)超過(guò)孔內(nèi)的飽和數(shù)量后,隨著水分子數(shù)量繼續(xù)增加,水分子擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低。但是,孔表面親疏水性質(zhì)的不同也會(huì)在一定程度上影響水分子在孔內(nèi)的擴(kuò)散行為。在疏水官能團(tuán)負(fù)載的孔內(nèi),擴(kuò)散系數(shù)對(duì)水分子個(gè)數(shù)變化的影響較為敏感,即水分子個(gè)數(shù)的小幅度變化就會(huì)引起水分子擴(kuò)散系數(shù)較大范圍的變化;在親水官能團(tuán)負(fù)載的孔內(nèi),水分子擴(kuò)散系數(shù)對(duì)水分子的個(gè)數(shù)變化不敏感,整體上的變化趨勢(shì)趨于平緩。
圖9 MCM?41孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)隨孔內(nèi)水分子負(fù)載量的變化
將多種不同親疏水性質(zhì)的官能團(tuán)負(fù)載到MCM?41材料中,研究了官能團(tuán)對(duì)孔內(nèi)水分子吸附擴(kuò)散行為的影響。結(jié)果表明,親水官能團(tuán)與水分子之間的相互作用力比疏水官能團(tuán)高114.27%,這導(dǎo)致兩種材料對(duì)水分子的吸附能力有明顯差別??變?nèi)水分子的擴(kuò)散能力與孔表面官能團(tuán)的親水性呈正相關(guān),親水MCM?41?OH孔內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)相較于疏水MCM?41?CH3高約58.82%??變?nèi)水分子數(shù)量也對(duì)水分子擴(kuò)散存在較大影響,隨著孔內(nèi)水分子負(fù)載數(shù)量的增加,水分子的擴(kuò)散系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。
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Simulation Study on the Adsorption and Diffusion Behavior of Water Molecules in Modified MCM?41
Chen Shujun1,2, Pei Jianlin1, Fu Yue3, Zhang Yaxue1
(1.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong 266580, China;2.Qingdao Engineering Research Center of Efficient and Clean Utilization of Fossil Energy, Qingdao Shandong 266580, China;3.College of New Energy, China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong 266580, China)
By constructing a skeleton model of MCM?41 loaded with various functional groups, the adsorption and diffusion properties of water molecules in McM?41 pores with different hydrophilic and hydrophobic properties were calculated by GCMC and MD simulations. The results show that the water adsorption isotherms of MCM?41 materials are mainly Ⅱ type. Hydrophilic functional groups loaded on MCM?41 pore surface can form hydrogen bonds with water molecules, so the interaction force on water molecules is about 114.27% higher than that of hydrophobic functional groups. The diffusion capacity of water molecules in the hole of MCM?41 is positively correlated with the hydrophilicity of surface functional groups, and the diffusion coefficient of water molecules in the material with hydrophilic surface is about 58.82% higher than that of the hydrophobic surface. It was proved that MCM?41 material with hydrophilic surface can promote the adsorption and diffusion behavior of water molecules in pores in aqueous environment.
Molecular simulation; Molecular diffusion; Adsorption isotherm; Dynamics
TE644
A
10.3969/j.issn.1672?6952.2022.03.001
1672?6952(2022)03?0001?07
http://journal.lnpu.edu.cn
2021?11?27
2022?02?24
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52176028);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2019MEE005);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(18CX02080A)。
陳樹(shù)軍(1978?),男,博士,副教授,從事氣體吸附與天然氣預(yù)處理脫酸研究;E?mail:shujunchenfu@126.com。
(編輯 宋官龍)