關鍵詞：CP2K；沸石；小分子吸附；結構優化

沸石（Zeolite）是一類含鋁硅酸鹽微孔材料，兼具可調孔徑、大比表面積與優異熱穩定性，在離子交換、吸附分離及催化等工業領域占據重要地位。目前已鑒定出 200 余種不同的沸石骨架類型。

在其晶體結構中，若四面體 SiO? 單元中的 Si 被 Al 等價取代，就會生成帶負電荷的 [AlO?]? 位點，需通過陽離子進行電荷補償。Si/Al 比是決定沸石性能的關鍵參數之一——隨著 Si/Al 比升高，材料通常表現出更高的熱學穩定性。由于實驗上難以準確定位骨架 Al 原子，研究者常借助密度泛函理論等計算方法評估不同取代位置和含量對框架穩定性的影響（見 Mater. Today Commun., 26, 102028 (2021)）。

例如，J. Mater. Chem. A 3 (2015), 12890 報道了高 Si/Al 比 heulandite (HEU) 型沸石的合成，并以全硅 HEU 作為近似模型，探討其對有毒甲苯分子的吸附及結構響應。

初始模型的構建

首先在Database of Zeolite Structures 網站下載全硅沸石的晶體結構，如圖1所示：

圖1 沸石單胞模型

該沸石單胞結構較小，若直接用于吸附甲苯，會產生顯著的周期性鏡像作用和位阻作用，導致計算結果不合理。因此我們將其進行擴胞，并在孔洞中放置一個甲苯小分子作為初猜結構，如圖2所示：

圖2 沸石吸附甲苯初始結構

結構優化

采用PBE-D3(BJ)/DZVP-MOLOPT-SR-GTH對初始結構進行優化，允許沸石原子發生弛豫。在該體系中，由于甲苯與沸石之間是典型的色散主導弱相互作用，因此必須加上色散校正。部分輸入文件如圖3和圖4所示：

圖3 輸入文件中理論方法設置

圖4 輸入文件中色散校正設置

該體系優化40幾步就收斂了，優化后的結構如圖5所示。可以看到，優化后的結構和初始變化不太大，甲苯分子只發生了微小的移動，說明我們初始構建的結構還是比較合理的。

圖4 優化前后沸石-甲苯結構模型

結語

本案例通CP2K成功實現了沸石吸附甲苯小分子的結構優化。對于相關領域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。

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