從簡單的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行研究。通常來講,沸石分子篩都是一個個四面體通過共用頂點(diǎn)來堆積得到的,所以一個四面體就是一個初級的結(jié)構(gòu)單元(TO4四面體)。例如:對于silicalite-1沸石分子篩來講,它的初級結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體([Si O4]0),并且這個四面體結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)電中性,這些硅氧四面體通過共用氧原子的連接,形成了具有MFI結(jié)構(gòu)的沸石分子篩。在合成中模板劑和吸附水是存在于它的孔道中的。當(dāng)然,當(dāng)在合成體系中有鋁存在的條件下,則有兩種四面體:硅氧四面體([Si O4]0)和鋁氧四面體([Al O4]-),并且鋁氧四面體是存在一個負(fù)電荷的,通過組裝合成了硅鋁的具有MFI結(jié)構(gòu)的分子篩,由于這種結(jié)構(gòu)本身帶有一定的負(fù)電荷,因此必然要通過額外的陽離子來平衡,使其整體終呈現(xiàn)電中性。而磷鋁分子篩則是磷氧四面體([PO4]+)和鋁氧四面體([Al O4]-)嚴(yán)格交替構(gòu)成,骨架呈電中性。當(dāng)然,在初級結(jié)構(gòu)單元與初級結(jié)構(gòu)單元的連接中,要遵守Lowenstein規(guī)則:在硅鋁骨架結(jié)構(gòu)中,鋁與鋁不能相鄰;在磷酸鹽骨架結(jié)構(gòu)中,如SAPO-34,鋁是不能和二價或者三價金屬原子相鄰、以及磷不能與硅或磷相連的。
分子篩的骨架結(jié)構(gòu)由初級結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行有限或者無限的連接后而形成的。有限的結(jié)構(gòu)單元,如次級結(jié)構(gòu)單元通常是指由TO4四面體通過共同使用的氧原子,從而按照不同的連接方式組成的多元環(huán)結(jié)構(gòu),比較常見的環(huán)結(jié)構(gòu)如四元環(huán)、五元環(huán)、六元環(huán)、雙四元環(huán)和雙六元環(huán)?,F(xiàn)在所發(fā)現(xiàn)的為18種次級結(jié)構(gòu)單元。例如4-4次級結(jié)構(gòu)單元,它所代表的的是兩個四元環(huán),即雙四元環(huán)。正如我們所熟知的A型分子篩,它就是通過SOD籠與雙四元環(huán)之間進(jìn)行連接從而形成了沸石分子篩。當(dāng)然我們所說的SBU只是在理論意義上的拓?fù)鋯卧?,是為了更好的理解和解釋沸石分子篩的結(jié)構(gòu),不能這樣就認(rèn)為是沸石分子篩晶化過程的真實(shí)物種。
分子篩的骨架中存在一特征籠狀結(jié)構(gòu)單元,而籠狀結(jié)構(gòu)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(gòu)單元,換句話說,同一個籠狀結(jié)構(gòu)單元通過不同連接方式會形成不同的分子篩骨架結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)以及周期性結(jié)構(gòu)單元(PBU)。我們?yōu)槌R姷奈宸N鏈狀結(jié)構(gòu)為是Pentasil鏈、雙鋸齒形鏈、雙之字形鏈、雙機(jī)軸鏈和短柱石鏈。由邊共享的籠所組成的Pentasil鏈?zhǔn)歉吖璺惺肿雍Y家族的一個特征鏈。具有代表性的,MFI的骨架結(jié)構(gòu)就是由Pentasil鏈構(gòu)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(diǎn)間相互連接形成三維四連接的骨架結(jié)構(gòu)。例如,GIS類型骨架結(jié)構(gòu)是由4.82二維網(wǎng)層結(jié)構(gòu)上下連接而成。
合成沸石分子篩的基本原料有:硅源、鋁源、堿源、金屬陽離子、其它礦化劑、模板劑和水等。常用的硅源有白炭黑、硅溶膠、固體硅膠、有機(jī)硅酸酯、水玻璃等。常用的鋁源有偏鋁酸鈉、硫酸鋁、薄水鋁石、金屬鋁、硝酸鋁、異丙醇鋁、氫氧化鋁等。堿源有氫氧化鈉,氫氧化鉀等。金屬陽離子包括堿金屬陽離子和堿土金屬離子如:Li+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+等。分子篩合成的礦化劑有兩種:氫氧根離子和氟離子。模板劑有各種含氮的有機(jī)物、季磷鹽等。
初始凝膠的配比往往能夠決定終產(chǎn)物的類型。初投料的反應(yīng)物的不同會導(dǎo)致后的生成物的完全不同,如,陽離子不同可以導(dǎo)致分子篩產(chǎn)物的不同,鈉離子容易導(dǎo)向LTA、CAN、FAU、GIS等分子篩骨架的生成;而鉀離子則容易導(dǎo)向LTL、CHA、ERI等類型的分子篩骨架。即使初的反應(yīng)物相同只是反應(yīng)物含量有微少的差別也極有可能得到不同的物相,如堿度對分子篩合成體系的影響。另外當(dāng)所有物料比例都相同,只是簡單的使用不同的硅源也有可能導(dǎo)致分子篩晶體大小、形貌、甚至骨架類型的改變。當(dāng)我們用相圖來表述整個物料時,從中可以發(fā)現(xiàn)許多結(jié)構(gòu)只能在一個特定的區(qū)域里得到。有時由于過于多的影響因素,只能選擇一兩個變量來作圖。另外,投料時的加料順序,人為操作對于分子篩的合成也是一個影響因素。