依次采用分子力学、分子动力学、量子力学方法计算得到烃分子的最低能量构象,获得了分子的三维尺寸,并与 动力学直径进行了对比分析,并初步研究了烃分子尺寸与在MFI、FAU分子筛中扩散能垒的关系。结果表明,在分子筛催化研究中用三维尺寸描述烃分子大小比用动力学直径更合理。与环烷烃、芳烃分子相比,长链烷烃分子结构柔性较大,长链烷烃分子尺寸不能只考虑其最低能量构象的尺寸,还应考虑分子构象的动力学变化。在同一分子筛中,随烃分子最小截面尺寸的增加,扩散能垒增大;同一分子在MFI分子筛中的扩散能垒大于在FAU分子筛中的扩散能垒。研究结果对于探索分子筛择形催化机理具有一定的理论价值 。
Insight II软件中的Solids-Diffusion模块提供了研究分子在晶格中或表面上扩散行为的工具。该方法提出,分子在分子筛孔道中沿某一路径扩散时,受该路径上存在的热力学能垒的控制。这种热力学能垒称为扩散能垒,它代表分子通过孔道时所需要克服的能量 。分子在分子筛孔道内的扩散速率主要由扩散能垒决定,因此,扩散能垒可以从能量的角度给出分子在分子筛孔道中扩散的难易,进而获得分子扩散的相对快慢 。
计算分子在分子筛孔道中的扩散能垒的主要步骤:在分子筛主体结构中预先用数个赝原子定义好扩散路径,客体分子沿该路径按定义好的步长(计算设定为0.05nm)移动;在每一个连续的位置上,对由分子筛和扩散分子组成的体系 进行能量优化,并记录优化得到的最低能量,由此可以得到一条沿轨迹坐标变化的扩散能量曲线。扩散能量曲线的峰值(Emax )和谷值(Emin )之差即为扩散能垒(ED )。 扩散能垒计算中采用CVFF力场(Consistent valenceforce field)。 计算中分子筛的骨架原子均固定在晶体学坐标位置 。
不同异构程度的烷烃在M FI分子筛孔道中的扩散能垒有明显差别;随着异构程度的增加,烷烃分子最小截面尺寸增加,扩散能垒有明显增加 。这是由于MFI分子筛孔道尺寸较小,随着分子最小截面尺寸的增加,分子与孔道壁原子的相互作用增强,扩散变得困难。但它们在FAU分子筛孔道中的 扩散能 垒并没有明显变化,这是由于FAU分子筛有效孔径为0.73nm,比这几种烷烃分子的最小截面尺寸大得多,分子筛孔道对分子扩散限制作用均不明显,分子扩散均较自由。环烷烃 、芳烃分子在MFI分子筛孔道中的扩散能垒随分子最小截面尺寸的增加有明显增加,在FAU分子筛中扩散能垒的变化规律与MFI分子筛中的相同 。同一分子在MFI分子筛中的扩散能垒均比在FAU分子筛中的大,这是由于MFI分子筛的有效孔径比FAU分子筛小,分子在MFI分子筛中受到的扩散限制作用更大,扩散更困难 。