Structure of Zeolite A (LTA) Surfaces and the Zeolite A/Water Interface

Abstract

Atomistic simulations were used to investigate the surface structure and stability of siliceous and sodium aluminosilicate (Na-A) forms of the zeolite LTA. First, the surface structures were optimized with static lattice minimization. These simulations predict that the single 4-ring termination of {100} and the double 4-ring of {111} are equally stable for siliceous LTA. The inclusion of aluminum ions into the framework stabilizes the {100} relative to the {111} surface. One consequence of this change in surface stability is that the predicted equilibrium morphology changes from spherical for purely siliceous to cubic. Slabs of LTA were then immersed in water and simulated using molecular dynamics. The siliceous LTA was found to have hydrophobic regions, whereas in the aluminosilicate the water density resides at distinct crystallographic sites. The zeolite surfaces were shown to impose significant water ordering near the surfaces. This, in turn, affects the water diffusivity. The diffusivity of water is correlated with water structure, which leads to clear anisotropy in the diffusion coefficient. The presence of water is also found to increase the surface stability of the {100} surfaces. Finally, we found that Na+ ions leach into the solution, migrating between surface adsorption sites and moving through the 6- and 8-rings, hence forming a diffuse sodium layer above the LTA surface, which also has important implications for atom transport near zeolite surfaces.

Difusión Selectiva de Hidrocarburos en Zeolitas de Poro Pequeño a Partir de Técnicas de Simulación Molecular

“…172,[174][175][176][177] A pesar de lo anterior, la investigación en fenómenos de transferencia de masa se han centrado en el estudio del transporte de la fase adsorbida en los sólidos cristalinos, mientras que la influencia de las barreras superficiales y de los defectos estructurales en los procesos de sorción y de "release", solo han empezado a estudiarse muy recientemente. 175,[177][178][179][180][181][182][183][184] Una de las principales barreras para el estudio de fenómenos de superficie es la asociada con los avance en las técnicas experimentales de caracterización de sólidos. Solo recientemente se han reportado estudios sobre la estructura superficial de sólidos como la zeolita silicalita-1, utilizando la técnica de HR-TEM, 185 o del uso de la técnica de microscopía de fuerza atómica (AFM) para la identificación de los detalles estructurales de las zeolitas mordenita (MOR), HEU y LTA.…”

“…115,180,182,184,188,189 En el presente trabajo hemos utilizado la técnica de la dinámica molecular para estudiar el proceso de adsorción de metano en la zeolita Si-LTA en su etapas transitoria y estable. Nuestro modelo integra en la descripción del campo de fuerza la presencia de grupos silanol explícitamente.…”

“…Recientemente, Slater et al 180 han publicado un trabajo en el que se caracteriza la estructura superficial de la zeolita Si-LTA a través de cálculos de energías relativas utilizando la técnica de la dinámica de redes. Este estudio ha sido complementario al trabajo experimental de Wakihara et.…”

“…En este capítulo retomamos los resultados del trabajo de Slater et al 180 para le definición del campo de fuerza de la zeolita ITQ-29 en el proceso de adsorción de metano en dicha estructura. Utilizando las trayectorias obtenidas a través de la técnica de la dinámica molecular se describe el proceso transitorio de adsorción de metano, a diferentes concentraciones, en un cristal modelo de zeolita ITQ-29 hasta alcanzar el estado de equilibrio.…”

“…Para este caso, inicialmente se usa el modelo de Sanders et al 69 para describir el interior de la zeolita, complementado para la superficie con el modelo de 190 en forma similar a la definida en el trabajo de Gren et al 180 Las dos partes del potencial están basadas en el modelo core-shell, el cual requiere para su aplicación en dinámica molecular el uso de un paso de integración del orden de 0.02 fs, lo suficientemente bajo para evitar cualquier posibilidad de transferencia energética intermolecular debida a colisiones, y para un apropiado modelamiento de las características vibracionales de los grupos OH -superficiales.…”