沸石纳米结构吸附甲基硫醇的分子模拟研究：从高压到痕量捕获的机制解析

本研究针对天然气脱硫过程中痕量甲基硫醇（CH3 SH）高效捕获的工业难题，通过巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟系统探究了FAU、DDR等五种全硅沸石在不同压力区间的吸附行为。研究发现FAU和MWW沸石分别在高/低压下表现最优，其吸附能力与孔体积和孔径匹配度直接相关，且Langmuir模型能有效描述吸附机制，为工业吸附剂筛选提供了分子层面的设计依据。

　　

在能源工业与环境保护的双重需求下，天然气中痕量硫化合物的高效脱除一直是亟待解决的难题。甲基硫醇（CH₃
SH）作为典型的挥发性有机硫污染物，其强毒性、易累积特性使得传统吸附材料难以实现深度净化。尽管沸石因其可调控的孔道结构被视为理想吸附剂，但分子尺度上甲基硫醇与沸石相互作用的机制尚不明确，尤其缺乏针对不同压力区间的系统性研究。

伊朗国家科学基金会支持的研究团队通过计算材料学手段，在《Microporous and Mesoporous Materials》发表了突破性成果。该研究采用巨正则蒙特卡洛（Grand Canonical Monte Carlo, GCMC）模拟方法，以国际沸石协会（IZA）数据库中的FAU、DDR等五种全硅沸石为模型体系，在298 K温度下模拟了0-100 kPa宽压力范围内的吸附行为，特别聚焦0-0.005 kPa的痕量压力区间。研究结合COMPASS力场参数优化和吸附位点分布分析，首次揭示了压力梯度对吸附机制的调控规律。

关键技术方法
研究构建了包含FAU、DDR等五种沸石的超胞模型，采用COMPASS力场描述分子间相互作用。通过GCMC模拟获取吸附等温线，结合Langmuir、Freundlich等模型拟合吸附参数。利用孔隙分析工具计算框架密度和可及体积，并通过吸附能分布解析活性位点。所有模拟均在Materials Studio软件中完成，压力范围覆盖工业相关的高压（100 kPa）和痕量（0.005 kPa）条件。

研究结果
Model
选取的FAU（八面沸石）、DDR（十面-十二面沸石）等体系具有显著差异的孔道拓扑：FAU以三维超大孔（>7 ?）著称，而MWW（MCM-22前驱体）具有独特的二维正弦通道。这种结构多样性为探究孔道尺寸-吸附性能关系提供了理想平台。

Results
高压区（>10 kPa）FAU表现出最高吸附量（达78 mg/g），其优势源于0.34 cm³
/g的超大微孔体积；而在0.005 kPa痕量压力下，MWW以表面吸附为主导，其6.5 ?孔径既能保证CH₃
SH分子扩散又维持强吸附势阱。Langmuir模型的R²

0.98表明单层吸附占主导。

Conclusion
研究建立了沸石结构参数与吸附性能的定量关系：高压吸附依赖孔体积，而痕量吸附受孔径匹配度调控。FAU和MWW分别成为不同压力场景下的最优选择，这一发现突破了传统吸附剂"唯比表面积论"的局限。

意义与展望
该工作首次从分子层面阐明了压力对沸石吸附甲基硫醇的机制切换效应，提出的"高压看体积，低压看孔径"设计原则为工业吸附剂开发提供了新范式。通过计算筛选将实验验证范围缩小80%以上，显著降低研发成本。未来研究可拓展至含铝沸石的酸性位点效应及多组分竞争吸附模拟，进一步推动天然气超深度脱硫技术的进步。