分子篩的骨架中存在一特征籠狀結(jié)構單元,而籠狀結(jié)構單元又是根據(jù)確定它們多面體的多元環(huán)來描述的。例如,我們所熟悉的SOD籠它由八個六元環(huán)和六個四元環(huán)來組成的,一般簡寫成4668。不同的分子篩骨架會含有相同的籠狀結(jié)構單元,換句話說,同一個籠狀結(jié)構單元通過不同連接方式會形成不同的分子篩骨架結(jié)構類型。一個經(jīng)典的例子就是SOD籠。
SOD籠間通過本身的共面連接形成的是SOD沸石分子篩;SOD籠間通過雙四元環(huán)的連接,形成的是LTA型分子篩;SOD籠間通過雙六元環(huán)的連接,形成的是FAU和EMT沸石分子篩。
另外,在沸石分子篩骨架結(jié)構中,常會發(fā)現(xiàn)一些特征的鏈和二維三連接的網(wǎng)層結(jié)構以及周期性結(jié)構單元(PBU)。我們?yōu)槌R姷奈宸N鏈狀結(jié)構為是Pentasil鏈、雙鋸齒形鏈、雙之字形鏈、雙機軸鏈和短柱石鏈。由邊共享的籠所組成的Pentasil鏈是高硅沸石分子篩家族的一個特征鏈。具有代表性的,MFI的骨架結(jié)構就是由Pentasil鏈構成。平行堆積的二維三連接網(wǎng)層通過上下取向的三連接頂點間相互連接形成三維四連接的骨架結(jié)構。例如,GIS類型骨架結(jié)構是由4.82二維網(wǎng)層結(jié)構上下連接而成。
對于沸石分子篩的形成及其生長機理的深入研究有助于人們更好的設計合成新型沸石分子篩拓撲結(jié)構、擴展沸石分子篩材料合成新路線、開發(fā)沸石分子篩材料的新性質(zhì)及新用途。盡管沸石分子篩的發(fā)展已經(jīng)有許多年了,但是對于它的合成機理方面一直未有一個真正的定論。研究分子篩的晶化機理即具有十分重要的理論意義,也對合成新型的沸石分子篩合成具有實際的指導意義。目前具有代表性的為固相轉(zhuǎn)變機理(Solid hydrogel Transformation mechanism)、液相轉(zhuǎn)變機理(Solution-mediated Transport mechanism)和雙相轉(zhuǎn)變機理這三種機理。
液相轉(zhuǎn)變機理由Kerr和Ciric提出,與固相轉(zhuǎn)變機理的提出幾乎是在同一個時期。他們認為:沸石分子篩晶體的成核和生長是在溶液中直接進行,初始凝膠慢慢的溶解到溶液中,生成了活性物種硅鋁酸根離子,然后再發(fā)生縮合,慢慢的形成了沸石分子篩所需要的結(jié)構單元,再進一步生成了沸石分子篩。
Zhdanov的實驗表明,沸石分子篩晶體生長速度與液相中多硅酸根和鋁酸根離子的濃度息息相關,并且晶化過程中液相各組分濃度是不斷變化的,這些實驗結(jié)果支持了液相轉(zhuǎn)變機理。對液相轉(zhuǎn)變機理有利的證明是從液相中直接晶化沸石分子篩,Koizumi等人直接從澄清溶液中合成出了SOD,GIS、FAU等沸石分子篩。
雙相轉(zhuǎn)變機理
在人們對于沸石分子篩晶化究竟是通過液相轉(zhuǎn)變機理還是通過固相轉(zhuǎn)變機理爭執(zhí)不清時,八十年代之后,又有科學家提出了雙相轉(zhuǎn)變的機理。雙向轉(zhuǎn)變機理認為液相轉(zhuǎn)變和固相轉(zhuǎn)變同時存在沸石分子篩晶化過程中,既可以分別發(fā)生在兩種晶化反應體系中,也可以同時發(fā)生在一個體系中。
Gabelica等人從對ZSM-5分子篩以及Na Y沸石晶化的研究印證了雙相轉(zhuǎn)變機理的存在性。Iton等人在ZSM-5分子篩的晶化過程中應用小角中子散射技術進行研究,同時發(fā)現(xiàn)使用不同的硅源,ZSM-5沸石分子篩的晶化是遵循不同的機理進行。從而得出即使是同一種類型沸石分子篩,在不同的晶化條件下其生長的機理是不一樣的結(jié)論。