Hấp phụ H2O, NH3 và C6H6 trên các cation kim loại kiềm trong bề mặt nội của mordenit và trong bề mặt ngoại của smectite: một nghiên cứu DFT

Physics and Chemistry of Minerals - Tập 36 - Trang 281-290 - 2008
Lubomir Benco1,2, Daniel Tunega2,3
1Faculty of Physics and Center for Computational Materials Science, Vienna University, Vienna, Austria
2Institute of Inorganic Chemistry, Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovak Republic
3University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna, Austria

Tóm tắt

Sự hấp phụ của H2O, NH3 và C6H6 trên các cấu trúc mordenit đã được trao đổi H- và kim loại kiềm cũng như trên các cation tương ứng trên lớp smectite được nghiên cứu bằng các phép tính tính toán độ dày cơ bản. Proton hoặc cation kim loại kiềm bù đắp cho một sự thay thế Al/Si trong kết cấu và tồn tại ở vị trí ngoài khung của zeolit hoặc ngay trên lớp smectite phẳng gần với sự thay thế Al/Si. Những sự tương đồng rõ rệt giữa zeolit và smectite được quan sát thấy trong các thay đổi của năng lượng hấp phụ và vị trí của cation bên ngoài khi thay đổi đặc tính của cation bên ngoài. Năng lượng hấp phụ tính toán cho thấy xu hướng sau: E(NH3) > E(H2O) > E(C6H6). Do có sự tiếp xúc lỏng lẻo hơn với khung, các cation zeolit là các trung tâm hấp phụ mạnh hơn và năng lượng hấp phụ tính toán của zeolit lớn hơn khoảng 20–30% so với các cation của smectite. Năng lượng hấp phụ cao nhất được tính cho các cấu trúc đã được trao đổi H và theo nhóm cation kim loại kiềm, sự giảm năng lượng hấp phụ được quan sát. Sự lệch khỏi biến động mượt mà của năng lượng hấp phụ do các nguyên nhân sau: (1) hình thành các liên kết hidro mạnh trong các cấu trúc đã được trao đổi H, (2) sự di chuyển của cation Li+ bên ngoài do sự hấp phụ gây ra, và (3) rào cản không gian của phân tử C6H6 phẳng được hấp phụ trên cation trong lồng zeolit.

Từ khóa

#Hấp phụ #zeolit #smectite #năng lượng hấp phụ #cation kim loại kiềm #tính toán độ dày cơ bản (DFT)

Tài liệu tham khảo

Alberti A, Davoli P, Vezzalini G (1986) The crystal-structure refinement of a natural mordenite. Z Cristallogr 175:249–256 Arean CO, Palomino GT, Garrone E, Nachtigallova D, Nachtigall P (2006) Combined theoretical and FTIR spectroscopic studies on hydrogen adsorption on the zeolites Na-FER and K-FER. J Phys Chem B 110:395–402. doi:10.1021/jp055190k Arean CO, Delgado MR, Bauca CL, Vrbka L, Nachtigall P (2007) Carbon monoxide adsorption on low-silica zeolites—from single to dual and to multiple cation sites. Phys Chem Chem Phys 9:4657–4661. doi:10.1039/b709073k Arean CO, Delgado MR, Frolich K, Bulanek R, Pulido A, Bibiloni GF, Nachtigall P (2008) Computational and Fourier transform infrared spectroscopic studies on carbon monoxide adsorption on the zeolites Na-ZSM-5 and K-ZSM-5. Evidence of dual sites. J Phys Chem C 112:4658–4666. doi:10.1021/jp7109934 Austen KF, White TOH, Marmier A, Parker SC, Artacho E, Dove MT (2008) Electrostatic versus polarization effects in the adsorption of aromatic molecules of varied polarity on an insulating hydrophobic surface. J Phys Condens Matter 20:1–7. doi:10.1088/0953-8984/20/03/035215 Benco L, Demuth T, Hafner J, Hutschka F (2000) Spontaneous proton transfer between O-sites in zeolites. Chem Phys Lett 324:373–380. doi:10.1016/S0009-2614(00)00628-X Benco L, Demuth T, Hafner J, Hutschka F, Toulhoat H (2001) Adsorption of linear hydrocarbons in zeolites. A density-functional study. J Chem Phys 114:6327–6334. doi:10.1063/1.1355769 Benco L, Bucko T, Hafner J, Toulhoat H (2004) Ab initio simulation of Lewis sites in mordenite and a comparative study of the strength of active sites via CO adsorption. J Phys Chem B 108:13656–13666. doi:10.1021/jp048056t Benco L, Bucko T, Hafner J, Toulhoat H (2005) A DFT study of adsorption and chemisorption of H2 on Lewis sites in mordenite. J Phys Chem B 109:22491–22501. doi:10.1021/jp0533729 Benco L, Bucko T, Grybos R, Hafner J, Sobalik Z, Dedecek J, Hrusak J (2007a) Adsorption of NO in Fe2+-exchanged ferrierite. A density functional study. J Phys Chem C 111:586–595. doi:10.1021/jp065618v Benco L, Bucko T, Grybos R, Hafner J, Sobalik Z, Dedecek J, Sklenak S, Hrusak J (2007b) Multiple adsorption of NO on Fe2+ cations in the alpha- and beta-positions of ferrierite: an experimental and density functional study. J Phys Chem C 111:9393–9402. doi:10.1021/jp0724018 Blochl PE (1994) Projector augmented-wave method. Phys Rev B 50:17953–17979. doi:10.1103/PhysRevB.50.17953 Boulet P, Greenwell HC, Stackhouse S, Coveney PV (2006) Recent advances in understanding the structure and reactivity of clays using electronic structure calculations. J Mol Struct Theochem 762:33–48. doi:10.1016/j.theochem.2005.10.028 Bucko T, Hafner J, Benco L (2004) Adsorption and vibrational spectroscopy of ammonia at mordenite: ab initio study. J Chem Phys 120:10263–10277. doi:10.1063/1.1737302 Bucko T, Hafner J, Benco L (2005) Adsorption and vibrational spectroscopy of CO on mordenite: ab initio density-functional study. J Phys Chem B 109:7345–7357. doi:10.1021/jp050151u Chatterjee A, Iwasaki T, Ebina T (2002) 2:1 Dioctahedral smectite as a selective sorbent for dioxins and furans: reactivity index study. J Phys Chem A 106:641–648. doi:10.1021/jp0127418 Demuth T, Hafner J, Benco L, Toulhoat H (2000) Structural and acidic properties of mordenite. An ab initio density-functional study. J Phys Chem B 104:4593–4607. doi:10.1021/jp993843p Elanany M, Koyama M, Kubo M, Broclawik E, Miyamoto A (2005) Periodic density functional investigation of Lewis acid sites in zeolites: relative strength order as revealed from NH3 adsorption. Appl Surf Sci 246:96–101. doi:10.1016/j.apsusc.2004.10.052 Gournis D, Lappas A, Karakassides MA, Tobbens D, Moukarika A (2008) A neutron diffraction study of alkali cation migration in montmorillonites. Phys Chem Miner 35:49–58. doi:10.1007/s00269-007-0197-z Greenwell HC, Jones W, Coveney PV, Stackhouse S (2006) On the application of computer simulation techniques to anionic and cationic clays: a materials chemistry perspective. J Mater Chem 16:708–723. doi:10.1039/b506932g Grybos R, Hafner J, Benco L, Raybaud P (2008) Adsorption of NO on Pd-exchanged mordenite: Ab initio DFT modeling. J Phys Chem C 112:12349–12362. doi:10.1021/jp8009723 Guo BC, Purnell JW, Castleman AW Jr (1990) The clustering reactions of benzene with sodium and lead ions. Chem Phys Lett 168:155–160. doi:10.1016/0009-2614(90)85122-S Hafner J, Benco L, Bucko T (2006) Acid-based catalysis in zeolites investigated by density-functional methods. Top Catal 37:41–54. doi:10.1007/s11244-006-0003-z Kresse G, Furthmuller J (1996) Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comput Mater Sci 6:15–50. doi:10.1016/0927-0256(96)00008-0 Kresse G, Hafner J (1993) Ab initio molecular dynamics for open-shell transition metals. Phys Rev B 48:13115–13118. doi:10.1103/PhysRevB.48.13115 Kresse G, Joubert D (1999) From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys Rev B 59:1758–1775. doi:10.1103/PhysRevB.59.1758 Kubicki JD, Blake GA, Apitz SE (1997) Molecular orbital calculation for modeling acetate-aluminosilicate adsorption and dissolution reactions. Geochim Cosmochim Acta 61:1031–1046. doi:10.1016/S0016-7037(96)00399-7 Lee JH, Guggenheim S (1981) Single-crystal X-ray refinement of pyrophyllite-1Tc. Am Mineral 66:350–357 Ma JC, Dougherty DA (1997) The cation–π interaction. Chem Rev 97:1303–1324. doi:10.1021/cr9603744 Mortier WJ (1988) Compilation of extra framework sites in zeolites. Butterworth, Guildford Nachtigall P, Garrone E, Palomino GT, Rodrigues Delgado M, Nachtigallova D, Arean CO (2006) FTIR spectroscopic and computational studies on hydrogen adsorption on the zeolite Li-FER. Phys Chem Chem Phys 8:2286–2292. doi:10.1039/b602362b Nachtigall P, Delgado MR, Frolich K, Bulanek R, Palomino GT, Bauca CL, Arean CO (2007) Periodic density functional and FTIR spectroscopic studies on CO adsorption on the zeolite Na-FER. Microporous Mesoporous Mater 106:162–173. doi:10.1016/j.micromeso.2007.02.049 Nachtigallova D, Vrbka L, Bludsky O, Nachtigall P (2008) Interaction of acetonitrile with Na-zeolites: adsorption modes and vibrational dynamics in the zeolite channels and cavities. Phys Chem Chem Phys 10:4189–4198. doi:10.1039/b803024c Ni D, Zhou DH, Zhong J (2008) Study of ethylene and benzene adsorption on Bronsted acid sites in MCM-22 zeolites by theoretical calculation. Chin J Catal 29:366–372 Perdew JP, Zunger A (1981) Self-interaction correction to density-functional approximations for many electron systems. Phys Rev B 23:5048–5079. doi:10.1103/PhysRevB.23.5048 Perdew JP, Wang Y (1992) Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy. Phys Rev B 45:13244–13249. doi:10.1103/PhysRevB.45.13244 Sauer J (1989) Molecular models in ab initio studies of solids and surfaces. From ionic crystals and semiconductors to catalysts. Chem Rev 89:199–255. doi:10.1021/cr00091a006 Sauer J, Ugliengo P, Garrone E, Saunders VR (1994) Theoretical study of van der Waals complexes at surface sites in comparison with the experiment. Chem Rev 94:2095–2160. doi:10.1021/cr00031a014 Tsipursky I, Drits VA (1984) The distribution of octahedral cations in the 2:1 layers of dioctahedral smectites studied by oblique-texture electron diffraction. Clay Miner 19:177–193. doi:10.1180/claymin.1984.019.2.05 Tunega D, Haberhauer G, Gerzabek MH, Lischka H (2002a) Theoretical study of adsorption sites on the (001) surfaces of 1:1 clay minerals. Langmuir 18:139–147. doi:10.1021/la010914e Tunega D, Benco L, Haberhauer G, Gerzabek MH, Lischka H (2002b) Ab initio molecular dynamics study of adsorption sites on the (001) surfaces of 1:1 dioctahedral clay minerals. J Phys Chem B 106:11515–11525. doi:10.1021/jp026391g Tunega D, Haberhauer G, Gerzabek MH, Lischka H (2004) Sorption of phenoxyacetic acid herbicides on the kaolinite mineral surface—an ab initio molecular dynamics simulation. Soil Sci 169:44–45. doi:10.1097/01.ss.0000112015.97541.f3 Tunega D, Goodman BA, Haberhauer G, Reichenauer TG, Gerzabek MH, Lischka H (2007) Ab initio calculations of relative stabilities of different structural arrangements in dioctahedral phyllosilicates. Clays Clay Miner 55:220–232. doi:10.1346/CCMN.2007.0550211 Van Santen RA, Kramer GJ (1995) Reactivity theory of zeolitic Bronsted acid sites. Chem Rev 95:637–660. doi:10.1021/cr00035a008 Yang T, Wen XD, Li J, Yang L (2006) Theoretical and experimental investigation on the structures of purified clay and acid-activated clay. Appl Surf Sci 252:6154–6161. doi:10.1016/j.apsusc.2005.06.033