NLDFT法和GCMC法研究柱形多孔材料
迄今為止,基于吸附勢理論的HK法(狹縫孔)、SF法(圓柱孔)和CY法(籠形孔)已用于各種多孔材料的孔隙結構評價,基于毛細管凝結理論的 INNES 方法(狹縫孔)和 BJH 方法 (圓柱孔)等經典的孔徑分析方法,應用于中-大孔范圍內孔徑分析,這是由于其孔結構的不同。另一方面,近年來,人們開始關注通過計算機模擬方法來評估孔結構,如NLDFT(非定域密度泛函)法和GCMC(巨正則蒙特卡洛)法等,這兩種方法用一個統一的理論從微孔到中-大孔進行全孔分析。即使對比經典和新的孔徑分布分析法,從同一吸附等溫線中獲得的孔徑大小峰值和孔徑分布是不同的,因為每個理論得出的填充壓力不同。
NLDFT 方法假設一個孔形狀(孔尺寸),確定一些參數,如在吸附溫度和壓力下的吸附質分子之間的相互作用、構成吸附劑材料的原子之間的相互作用,以及吸附分子和組成吸附劑材料的原子之間的相互作用??紫吨械奈矫芏仁褂妹芏确汉ǖ慕乒絹泶_定。相比之下,GCMC 方法通過模擬吸附現象的計算模擬法來計算吸附密度,其它相互作用等參數如上述一樣確定,吸附分子被放入虛擬的孔隙空間,吸附分子的轉移、產生和消失被重復,如果接地電位為負(穩定),吸附被接受,如果接地電位為負(穩定),吸附密度被反轉。這些差異表明,NLDFT 方法的吸附相密度低于 GCMC 方法,導致填充壓力評估過高(圖 1)。換句話說, NLDFT方法可能導致過度評估孔隙體積和過度評估孔隙大小。NLDFT 和 GCMC 法哪一個方法適合孔隙分布?此外,雖然IUPAC2015中建議的吸附質是Ar吸附,但是N2吸附在多大程度上有用?我們將具體分析并測試圓柱形孔的材料如介孔二氧化硅 MCM41、MFI(10元環) 和MTW(12元環)沸石的N2(77.4K)和Ar(87.3K)的吸附等溫線。
介孔二氧化硅MCM41的N2@77.4 K和Ar@87.4 K吸脫附等溫線(圖2)被分類為 IVb型,顯示存在介孔。圖3是使用GCMC方法獲得的各個吸附質(N2@77.4 K,Ar@87.4 K)下的孔隙分布,以及使用NLDFT方法獲得的Ar@87.4 K的孔隙分布。從中可以證實,分析介孔MCM41的N2@77.4K和Ar@87.4K等溫線可得到相同的孔分布,通過GCMC和NLDFT方法。
MFI型(10元環)分子篩(Si/Al=500:1000H)的N2@77.4 K,Ar@87.4 K 的吸附等溫線(圖4)被歸類為 type I 型,并顯示存在微孔。圖5是使用GCMC方法(N2@77.4 K, Ar@87.4 K)獲得的孔隙分布,以及使用NLDFT方法(Ar@87.4 K)得到的孔隙分布。GCMC方法的孔隙分布與IZAs(國際分子篩協會)所得出的孔徑大小相吻合,所得出的孔徑大小相吻合,NLDFT方法的孔隙分布由于核文件問題而使得孔徑分布較寬,0.4-0.5nm的孔徑實際上并不存在。
圖6比較了MFI(25H)和Si/Al=12.5的吸脫附等溫線( N2@77.4 K 和 Ar@87.3 K)。由于N2四極子的介入,25H被強吸附在沸石的孔隙表面,吸附量從低相對壓力開始逐漸增加并填充微孔。然而,1000H 的微孔填充是發生在p/p0=1E-6附近,此處吸附量急劇增加。另一方面,在Ar@87.4 K吸附中,因為Ar是非極性的,可以證實,無論表面性質如何,25H和1000H的在p/p0=1E?6的吸附量增加是一樣的。在25H的N2@77.4 K吸附中,GCMC法分析孔徑分布(圖7),N2分子由于具有四極矩而強烈附著在Al+位點上,導致在0.4nm處出現一個小假峰。
基于上述情況,在MFI沸石(10元環)中,采用N2吸附氣體的GCMC方法可以分析除Al+位點以外的合理的孔隙分布(>0.5nm)。因此,Ar作為吸附氣體的GCMC方法可以正確分析孔徑分布和孔容。
MTWs(ZSM-12,12元環)的Ar@87.3K的GCMC法和NLDFT方法(圖8)的孔徑分布分析表明,GCMC法的孔徑分布與IZA所得到的孔結構非常一致。NLDFT 方法的孔徑分布由于核文件問題(圖 1)而被低估,假設Ar分子直徑 =0.34nm時,NLDFT計算的0.58 nm 圓柱形孔的孔容(0.14cm3)被高估。因此,可以證實孔徑分布是過度評估的。
綜上所述,對圓柱形介孔材料進行孔隙分布評價,NLDFT和 GCMC采用N2和Ar作為吸附質都是合適的。此外,對于形狀相同的微孔沸石,當孔徑大于0.4 nm時,Ar吸附的GCMC方法在孔分布分析中是的(僅由8元環沸石證實;本版本未描述)??梢哉f,N2吸附方法可以進行恰當的孔分布(>0.5nm)分析,除了Al+位點。此外,無論吸附質如何,無論孔體積在孔結構評估中過度評價(如帶微孔的沸石),我們還是推薦在NLDFT計算中采用GCMC法。