胺功能化ZSM-5分子筛膜的润湿渗透机制与CO2捕获性能的分子动力学解析

针对胺功能化沸石材料在CO2捕获与水分存储间的平衡难题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟系统研究了ZSM-5[0 0 1]表面氨基硅烷修饰对水滴润湿特性及结构水吸附行为的影响。发现疏水改性可延缓润湿但水分子仍通过表面空腔渗透，氨基氮原子通过弱氢键网络促进渗透，高浓度修饰实现完全离子截留，为膜分离与碳捕获材料设计提供分子级调控策略。

　　

在应对全球气候变化的大背景下，CO₂捕获技术成为研究热点。胺功能化固体材料因其优异的CO_{2吸附性能备受关注，但这类改性往往会改变沸石分子筛的天然亲水性通道特性，进而影响其水分存储与传输能力。沸石分子筛作为具有规则纳米孔道的硅铝酸盐晶体，在气体吸附、水处理等领域应用广泛。然而，当这些材料经过表面修饰后，其内部的水分子传输机制变得异常复杂——表面化学性质的改变如何影响水滴润湿行为？水分子的渗透路径会发生什么变化？这些问题直接关系到材料在膜分离、碳捕获等领域的实际应用效果。}

针对这一科学难题，东南大学的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表了一项创新性研究。他们选择具有MFI骨架结构的高硅ZSM-5沸石作为研究对象，通过分子动力学(MD)模拟手段，首次系统揭示了氨基硅烷耦合剂(ASCA)修饰对沸石表面润湿特性和水传输机制的分子级调控规律。研究团队构建了包含ZSM-5薄膜结构、氨基硅烷改性层和溶液液滴的润湿模型，采用[0 0 1]晶面暴露大孔形成缺陷表面，模拟了不同覆盖率(40%和80%)的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰表面。通过分析液滴接触角变化、水分子渗透路径和氢键网络形成等关键参数，结合膜分离过程中NaCl溶液的传输模拟，获得了定量化的水通量和离子截留数据。

关键技术方法包括：分子动力学模拟构建ZSM-5[0 0 1]晶面模型；采用氨基硅烷耦合剂(APTES)进行表面梯度修饰(0%、40%、80%覆盖率)；分析液滴接触角动态变化；追踪水分子在通道内的渗透路径；模拟膜分离过程中的离子截留行为；利用国家超级计算济南中心的超算资源进行数值计算。

润湿行为
研究发现未修饰的ZSM-5[0 0 1]表面表现出典型亲水性，水滴接触角为72.3°。随着APTES覆盖率增加至80%，接触角增大至112.5°，表面转变为疏水特性。有趣的是，尽管疏水改性延缓了润湿过程，水分子仍能通过表面空腔渗透进入沸石内部通道，但渗透数量随覆盖率增加而减少。氨基氮原子(-NH₂)与水分子形成弱氢键网络，在竞争吸附位点占据和水分子固有驱动力的共同作用下，促进了液滴的润湿和渗透过程。

膜分离性能
模拟结果显示胺功能化膜显著降低了水通量，但高浓度基团修饰(80%覆盖率)实现了完全的离子截留。这一发现揭示了表面化学修饰与传输性能之间的非线性关系：适度的氨基修饰可在保持一定水通量的同时提高离子选择性，而高密度修饰则更适用于需要严格离子阻隔的应用场景。

讨论与结论
该研究首次从分子层面阐明了氨基硅烷修饰对沸石表面润湿-渗透耦合机制的影响规律。研究证实：1)表面氨基通过双重作用调控润湿性——疏水烷基链降低表面能，而极性氨基则保留部分亲水活性位点；2)水分子渗透存在"空腔-通道"协同路径，不完全修饰表面残留的亲水位点会加速深层渗透；3)膜分离性能与表面修饰密度呈阈值效应，为针对不同应用场景的精准修饰提供了理论依据。这些发现不仅解决了胺功能化沸石在CO₂捕获与水传输协同优化方面的关键科学问题，还为开发新一代智能分离膜材料提供了重要设计原则。研究特别指出，在混凝土耐久性设计中，这种"选择性渗透"特性可同时满足水分补给和腐蚀离子阻隔的需求，展现出广阔的应用前景。

该成果的另一个重要意义在于建立了分子模拟与宏观性能的定量关联方法。通过Gabriel Sas、Yongming Tu等作者的系统工作，首次实现了从静态接触角测量到动态渗透过程的全尺度模拟，为后续研究类似功能化多孔材料提供了范式。研究团队特别致谢国家自然科学基金(22478069)、国家杰出青年科学基金(52125802)等项目的资助支持，相关技术已申请发明专利保护。