MER沸石的K+调变及其对O2和N2吸附动力学的影响

doi:10.7503/cjcu20240411

摘要/Abstract

摘要：

通过调变原料中矿化剂KOH的加入量, 实现对K-MER沸石微孔结构的精确调控, 致使O₂和N₂在该沸石孔道中的吸附动力学性能具有较大差异. 研究结果表明, 随着K/Si摩尔比的增大, 沸石有效孔径减小, 其中K-MER-0.41(K/Si摩尔比为0.41)在298 K下的O₂/N₂动力学选择性达到最高值(3.24). 分子动力学模拟结果表明, K-MER-0.41中O₂的扩散速率大于N₂.

关键词: 沸石, 吸附动力学, 氧气/氮气, 动力学选择性, 扩散速率

Abstract:

By varying the amount of mineralizer added during feedstock preparation， the microporous structure of the material was precisely controlled， leading to a differentiation in the adsorption kinetics of O₂ and N₂ within the zeolite pore channels. The experimetal results indicate that as the K/Si molar ratio increases， the pore structure of the material contracts， and porosity gradually decreases. Notably， the O₂/N₂ kinetic selectivity of K-MER-0.41 ［n（K）/n（Si）=0.41］ reaches its highest value（3.24） at 298 K. Molecular dynamics simulations further suggest that the diffusion rate of O₂ on K-MER-0.41 is also greater than that of N₂.

Key words: Zeolite, Adsorption kinetics, O₂/N₂, Kinetic selectivity, Diffusion rate

中图分类号:

O647

TrendMD:

白晓炜, 唐轩, 王亚婷, 张飞飞, 李晋平, 杨江峰. MER沸石的K⁺调变及其对O₂和N₂吸附动力学的影响. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240411.

BAI Xiaowei, TANG Xuan, WANG Yating, ZHANG Feifei, LI Jinping, YANG Jiangfeng. K⁺ Regulation of MER Zeolite and Its Effect on O₂ and N₂ Adsorption Kinetics. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240411.

图/表 11

Fig.1 MER zeolite framework along (001) crystal plane(A), the aperture of MER along [001](B), (010)(C) and (100)(D)

Table 1 Amount of K2O(x) in MER gels and the K/Si molar ratios of the products

Sample	Amount of K₂O， x	K/Si molar ratio	Unit cell composition
K⁃MER⁃0.35	2.000	0.35	K_8.6\|［Al_8.6Si_23.4O_64.0］
K⁃MER⁃0.41	2.250	0.41	K_9.1\|Al_9.1Si_22.9O_64.0］
K⁃MER⁃0.43	2.625	0.43	K_9.5\|［Al_9.5Si_22.5O_64.0］

Table 2 Pseudo-first-order kinetic model fitting parameters for K-MER N2 and O2 adsorption kinetics

	O₂		N₂
	k₁/min^-1	R²	k₁/min^-1	R²
K⁃MER⁃0.35	0.2261	0.96	0.1485	0.98
K⁃MER⁃0.41	0.1549	0.97	0.0478	0.99
K⁃MER⁃0.43	0.0599	0.99	0.0347	0.95

Table 3 Pseudo-first-order kinetic model fitting parameters for K-MER-0.41 N2 and O2 adsorption kinetics at different temperatures

Temperature/K	O₂		N₂
Temperature/K	k₁/min^-1	R²	k₁/min^-1	R²
273	0.0705	0.99	0.0335	0.95
298	0.1189	0.96	0.0412	0.98
313	0.2096	0.96	0.0916	0.98

Fig.2 Molecular sieve framework of K⁃MER zeolite(A) and K⁃MER⁃0.41(B)

Fig.3 PXRD patterns(A) and FTIR spectra of K⁃MER(B), adsorption and desorption isotherm of CO2 at 273 K(C), and variation trend of specific surface area, total pore volume and K+ content of K⁃MER(D)

Fig.4 SEM images of K⁃MER⁃0.35(A), K⁃MER⁃0.41(B) and K⁃MER⁃0.43(C)

Fig.5 N2 and O2 adsorption isotherms(298 K, 105 Pa) of K⁃MER⁃0.35(A), K⁃MER⁃0.4(B) and K⁃MER⁃0.43(C)

Fig.6 N2 and O2 adsorption kinetics of K⁃MER⁃0.35(A), K⁃MER⁃0.41(B), K⁃MER⁃0.43(C) and the N2 and O2 rate constant and kinetic selectivity of K⁃MER(D)

Fig.7 K⁃MER⁃0.41 kinetic curves of N2 and O2 gas adsorption at different temperatures(A—C), N2 and O2 rate constant and kinetic selectivity change with temperature(D)

Fig.8 Mean squared displacement curves of O2 and N2 at 298 K

参考文献 37

1	Jiang G. S.， Mod. Chem. Res.， 2023，（6）， 127—129
	姜广栓. 当代化工研究， 2023，（6）， 127—129
2	Liu H.， Yuan D.， Yang L.， Xing J.， Zeng S.， Xu S.， Xu Y.， Liu Z.， Mater. Horiz.， 2022， 9（2）， 688—693
3	Banaszkiewicz T.， Chorowski M.， Gizicki W.， AIP Conf. Proc.， 2014， 1573（1）， 1373—1378
4	Bernardo P.， Drioli E.， Golemme G.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2009， 48（10）， 4638—4663
5	Jaramillo D. E.， Jaffe A.， Snyder B. E. R.， Smith A.， Taw E.， Rohde R. C.， Dods M. N.， Desnoo W.， Meihaus K. R.， Harris T. D.， Neaton J. B.， Long J. R.， Chem. Sci.， 2022， 13（35）， 10216—10237
6	Adil K.， Belmabkhout Y.， Pillai R. S.， Cadiau A.， Bhatt P. M.， Assen A. H.， Maurin G.， Eddaoudi M.， Chem. Soc. Rev.， 2017， 46（11）， 3402—3430
7	Tang Y.， Wang X.， Wen Y.， Zhou X.， Li Z.， Wang X.， Wen Y.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2020， 59（13）， 6219—6225
8	Li L.， Liu D.， Zhen D.， Ge Z.， Zhang X.， Xiong B.， Li Z.， Zhang K.， Xing T.， Xu W.， Zhang F.， Gu X.， Dai P.， Zhao X.， ACS Appl. Nano Mater.， 2022， 5（8）， 11414—11422
9	Nabais J. M. V.， Carrott P. J. M.， Carrott M. M. L. R.， Padre-Eterno A. M.， Menéndez J. A.， Dominguez A.， Ortiz A. L.， Carbon， 2006， 44（7）， 1158—1165
10	Nandi S. P.， Walker P. L.， Sep. Sci. Technol.， 1976， 11（5）， 441—453
11	Jüntgen H.， Knoblauch K.， Harder K.， Fuel， 1981， 60（9）， 817—822
12	Mullangi D.， Evans H. A.， Yildirim T.， Wang Y.， Deng Z.， Zhang Z.， Mai T. T.， Wei F.， Wang J.， Hight Walker. A. R.， Brown C. M.， Zhao D.， Canepa P.， Cheetham A. K.， J. Am. Chem. Soc.， 2023， 145（17）， 9850—9856
13	Ma S.， Wang X. S.， Yuan D.， Zhou H. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47（22）， 4130—4133
14	Ma S.， Wang X. S.， Collier C. D.， Manis E. S.， Zhou H. C.， Inorg. Chem.， 2007， 46（21）， 8499—8501
15	Shimomura S.， Higuchi M.， Matsuda R.， Yoneda K.， Hijikata Y.， Kubota Y.， Mita Y.， Kim J.， Takata M.， Kitagawa S.， Nat. Chem.， 2010， 2（8）， 633—637
16	Li J.， Gao M.， Yan W.， Yu J.， Chem. Sci.， 2023， 14（8）， 1935—1959
17	Shang Y.， Wu J.， Zhu J.， Wang Y.， Meng C.， J. Alloys Compd.， 2009， 478（1/2）， L5—L7
18	Zhou Y.， Zhang J.， Wang L.， Cui X.， Liu X.， Wong S. S.， An H.， Yan N.， Xie J.， Yu C.， Zhang P.， Du Y.， Xi S.， Zheng L.， Cao X.， Wu Y.， Wang Y.， Wang C.， Wen H.， Chen L.， Xing H.， Wang J.， Science， 2021， 373（6552）， 315—320
19	Chai Y.， Han X.， Li W.， Liu S.， Yao S.， Wang C.， Shi W.， Da⁃Silva I.， Manuel P.， Cheng Y.， Daemen L. D.， Ramirez⁃Cuesta A. J.， Tang C. C.， Jiang L.， Yang S.， Guan N.， Li L.， Science， 2020， 368（6494）， 1002—1006
20	Li Y.， Yu J.， Nat. Rev. Mater.， 2021， 6（12）， 1156—1174
21	Zhang Q.， Yu J.， Corma A.， Adv. Mater.， 2020， 32（44）， 2002927
22	Iwamoto M.， Yamaguchi K.， Akutagawa Y.， Kagawa S.， J. Phys. Chem.， 1984， 88（19）， 4195—4197
23	Niwa M.， Yamazaki K.， Murakami Y.， Ind. Eng. Chem. Res.， 1991， 30（1）， 38—42
24	Wang Y.， Yang R. T.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2019， 7（3）， 3301—3308
25	Liu H.， Yuan D.， Liu G.， Xing J.， Liu Z.， Xu Y.， Chem. Commun.， 2020， 56（75）， 11130—11133
26	Tang X.， Wei M.， Bai X.， Sep. Purif. Technol.， 2024， 339， 126601
27	Choi H. J.， Jo D.， Min J. G.， Hong S. B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 60（8）， 4307—4314
28	Chagger H. K.， Ndaji F. E.， Sykes M. L.， Thomas K. M.， Carbon， 1995， 33（10）， 1405—1411
29	Wang C.， Li L.， Bell J. G.， Lv X.， Tang S.， Zhao X.， Thomas K. M.， Chem. Mater.， 2015， 27（5）， 1502—1516
30	Zhao X.， Xiao B.， Fletcher A. J.， Thomas K. M.， Bradshaw D.， Rosseinsky M. J.， Science， 2004， 306（5698）， 1012—1015
31	Tian S. S.， Wang J. H.， Yuan Z. A.， Zhang X. X.， Jin X. P.， Liu W. H.， Deng G. Y.， Adv. Eng. Sci.， 2023， 55（4）， 57—66
	田双双，王家浩，袁子安，张晓星，靳小平，刘伟豪，邓广宇. 工程科学与技术， 2023， 55（4）， 57—66
32	O'malley A. J.， García Sakai. V.， Silverwood I. P.， Dimitratos N.， Parker S. F.， Catlow C. R. A.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2016， 18（26）， 17294—17302
33	Mousavi S. H.， Tamnanloo J.， Mokarizadeh A. H.， Zavabeti A.， Liu J. Z.， Li G. K.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2023， 25（27）， 18259—18265
34	Du S.， Huang J.， Ryder M. R.， Daemen L. L.， Yang C.， Zhang H.， Yin P.， Lai Y.， Xiao J.， Dai S.， Chen B.， Nat. Commun.， 2023， 14（1）， 1197
35	Kuznicki S. M.， Bell V. A.， Nair S.， Hillhouse H. W.， Jacubinas R. M.， Braunbarth C. M.， Toby B. H.， Tsapatsis M.， Nature， 2001， 413（6856）， 652
36	Khanday W. A.， Majid S. A.， Chandra Shekar S.， Tomar R.， Arab. J. Chem.， 2014， 7（1）， 115—123
37	Mallette A. J.， Seo S.， Rimer J. D.， Nat. Synth.， 2022， 1（7）， 521—534

[1]	王晨竹, 高明坤, 高艳静, 齐思贤, 于吉红. Beta@ZIF-67复合材料的制备及对聚乳酸塑料的催化降解性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240221.
[2]	王舒琪, 杜可, 李贺, 张亚红. 沸石雏晶固定的铱基催化剂及其催化转移加氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230224.
[3]	张宗洋, 李玉平, 张若茜, 刘宇峰, 陈泽, 韩丽娜, 韩培德. L沸石晶间转化快速合成SSZ-13沸石及其中空结构形成机理[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230034.
[4]	田润赛, 卢芊, 张洪滨, 张渤, 冯源源, 魏金香, 冯季军. 氮杂碳原位包覆Cu₂O/Co₃O₄@C异质结构复合材料的设计构筑及高效储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2592.
[5]	李健, 于明明, 孙源, 冯文华, 冯兆池, 吴剑峰. 水溶液pH对甲烷低温氧化制备甲醇的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 776.
[6]	王娟, 王林英, 朱大丽, 崔文浩, 王义峰, 田鹏, 刘中民. 高硅Y沸石的合成研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 1.
[7]	闻嘉丽, 张钧豪, 姜久兴. 超大孔分子筛, 十年再回顾[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 101.
[8]	王健羽, 张强, 闫文付, 于吉红. 羟基自由基在沸石分子筛合成中的作用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 11.
[9]	刘益, 刘毅. 取向晶种法制备沸石分子筛膜研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 117.
[10]	吴勤明, 王叶青, 孟祥举, 肖丰收. 硅铝沸石分子筛晶化过程再思考[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 21.
[11]	刘珊珊, 柴玉超, 关乃佳, 李兰冬. 分子筛材料在小分子吸附分离中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 268.
[12]	王博伦, 宗思宇, 李激扬. 光致发光沸石分子筛复合材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 299.
[13]	王彬宇, 李莉, 李菁, 靳科研, 张少卿, 张佳楠, 闫文付. 用工业固体废料合成沸石分子筛的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 40.
[14]	余丽莎, 李丹, 肖丽萍, 范杰. 沸石与蛋白质的相互作用及生物医用功能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 311.
[15]	徐伟, 王积超, 施广用, CHAEMCHUEN Somboon. 无溶剂热处理固相转化法简易制备沸石咪唑酯骨架材料[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1753.

MER沸石的K⁺调变及其对O₂和N₂吸附动力学的影响

K⁺ Regulation of MER Zeolite and Its Effect on O₂ and N₂ Adsorption Kinetics

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