Mechanistic Insights into Reactive Zeolite-Water Interactions

Abstract

Title: Mechanistic Insights into Reactive Zeolite-Water Interactions Author: Tereza Benešová Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry Supervisor: Christopher Heard, PhD. Abstract: An in silico investigation of zeolite-water interactions was undertaken using a combined static and dynamic approach within density functional theory. Two periodic models of zeolite chabazite were used, purely siliceous and aluminosilicate in order to explain the different behaviour of water near Si-O-Si and Al-O-Si bridges. One or two water molecules per supercell of the model were used, corresponding to experimental conditions of steaming. Under such conditions, water can interact with zeolites by non-reactive adsorption but also by reactive interactions such as hydrolysis and oxygen exchange between water and the framework. The main goal of the study was to explain oxygen exchange at an atomistic level. The viable mechanisms of oxygen exchange were established. These mechanisms are different for Si-O-Si and Al-O-Si bridges but for both of them oxygen exchange is initiated by partial hydrolysis of the framework. After this hydrolysis, oxygen exchange heals the framework while incorporating into it the oxygen that originated from the water. Both established mechanisms are competitive with non-exchange...

Název práce: Teoretické studium reaktivních interakcí vody se zeolity Autor: Tereza Benešová Katedra: Katedra fyzikální a makromolekulární chemie Školitel: Christopher Heard, PhD. Abstrakt: Byla provedena in silico studie interakcí vody se zeolity kombinující statický i dynamický přístup výpočtů teorie funkcionálu hustoty. Byly použity dva periodické modely zeolitu chabazitu, čistě křemičitý a hlinitokřemičitý, což umožnilo vysvětlit rozdíl mezi chováním vody v blízkosti Si-O-Si a Al-O-Si můstku. V modelu byly zahrnuty jedna nebo dvě molekuly vody v jednotkové supercele, což odpovídá experimentálním podmínkách za vysokých teplot. Za těchto podmínek může voda reagovat se zeolity prostřednictvím adsorpce, ale rovněž prostřednictvím reaktivních interakcí jako je hydrolýza a výměna kyslíku mezi vodou a mřížkou zeolitu. Hlavním cílem práce bylo objasnění této výměny kyslíku na atomární úrovni. Byly nalezeny proveditelné mechanismy výměny kyslíku. Tyto mechanismy jsou rozdílné pro Si-O-Si a Al-O-Si můstek, nicméně pro oba můstky je výměna kyslíku iniciována částečnou hydrolýzou mřížky. Po této hydrolýze mechanismus výměny kyslíku uzdravuje mřížku a zanechává v ní kyslík, který byl původně v molekule vody. Oba nalezené mechanismy jsou konkurenceschopné s uzdravením mřížky bez výměny kyslíku i s další hydrolýzou...