基于CP2K的沸石吸附小分子的结构优化 原创

关键词：CP2K；沸石；小分子吸附；结构优化

沸石（Zeolite）是一类含铝硅酸盐微孔材料，兼具可调孔径、大比表面积与优异热稳定性，在离子交换、吸附分离及催化等工业领域占据重要地位。目前已鉴定出 200 余种不同的沸石骨架类型。

在其晶体结构中，若四面体 SiO₄ 单元中的 Si 被 Al 等价取代，就会生成带负电荷的 [AlO₄]⁻ 位点，需通过阳离子进行电荷补偿。Si/Al 比是决定沸石性能的关键参数之一——随着 Si/Al 比升高，材料通常表现出更高的热学稳定性。由于实验上难以准确定位骨架 Al 原子，研究者常借助密度泛函理论等计算方法评估不同取代位置和含量对框架稳定性的影响（见 Mater. Today Commun., 26, 102028 (2021)）。

例如，J. Mater. Chem. A 3 (2015), 12890 报道了高 Si/Al 比 heulandite (HEU) 型沸石的合成，并以全硅 HEU 作为近似模型，探讨其对有毒甲苯分子的吸附及结构响应。

初始模型的构建

首先在Database of Zeolite Structures 网站下载全硅沸石的晶体结构，如图1所示：

图1 沸石单胞模型

该沸石单胞结构较小，若直接用于吸附甲苯，会产生显著的周期性镜像作用和位阻作用，导致计算结果不合理。因此我们将其进行扩胞，并在孔洞中放置一个甲苯小分子作为初猜结构，如图2所示：

图2 沸石吸附甲苯初始结构

结构优化

采用PBE-D3(BJ)/DZVP-MOLOPT-SR-GTH对初始结构进行优化，允许沸石原子发生弛豫。在该体系中，由于甲苯与沸石之间是典型的色散主导弱相互作用，因此必须加上色散校正。部分输入文件如图3和图4所示：

图3 输入文件中理论方法设置

图4 输入文件中色散校正设置

该体系优化40几步就收敛了，优化后的结构如图5所示。可以看到，优化后的结构和初始变化不太大，甲苯分子只发生了微小的移动，说明我们初始构建的结构还是比较合理的。

图4 优化前后沸石-甲苯结构模型

结语

本案例通CP2K成功实现了沸石吸附甲苯小分子的结构优化。对于相关领域的研究人员和工程师来说，本案例提供了一个有力的工具，可以为解决实际问题提供理论依据和技术支持。

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