(OsB)_n(n=1-6)团簇结构与稳定性的第一性原理研究

基于第一性原理,采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)对(OsB)_n(n=1-6)团簇各种可能的构型进行了几何结构优化,得出了各团簇的最稳定构型,并对最稳定构型的能量、结合能、二阶能量差分、能隙等性质进行了理论研究。研究结果表明:n=2、3时,体系的基态结构分别为棱形和锅盖形;n=4时,体系的基态结构是对称性为T_d的立方体形状,是本文对称性最高的构型;从n=4开始立方体构型主导着团簇基态结构的生长行为,表明团簇的稳定性不仅与团簇的尺寸大小有关,还与团簇的对称性有关。团簇(OsB)_4的能隙、结合能与能量的二阶差分比邻近的值都大,说明团簇(OsB)_4有较高的稳定性,n=4是团簇的幻数。     

F~-在γ-Al_2O_3(110)表面吸附的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论广义梯度近似平面波赝势法结合周期平板模型,研究F离子在γ-Al_2O_3(110)非极性表面的吸附行为,分析了F~-离子在其表面不同吸附位以及不同覆盖度下吸附构型和电子特性。结果表明:表面配位不饱和的Al为F~-离子活性吸附位,F离子在γ-Al_2O_3(110)表面化学吸附后形成F-Al键促使F~-离子活化;F~-离子在Al_Ⅲ(1)桥位吸附时最稳定。随着覆盖度增加,吸附能增大,F离子与表层原子的距离(d_(F~--surf)缩短:同时表面吸附F离子引起表层及次表层原子层间距发生不同程度偏移,最大幅度为10.07%。差分电荷密度与电子态密度分析指出,F离子在γ-Al_2O_3(110)表面吸附主要是由F~-离子2s和2p轨道与γ-Al_2O_3基底Al的3p轨道相互作用所致。     

CO_2在Fe(111)表面吸附的密度泛函理论研究

采用量子化学的密度泛函理论,研究二氧化碳在Fe(111)表面的可能吸附态(M1-M5),计算出稳定的吸附构型和吸附能.结果表明,当CO2的O与表面形成强O-Fe双吸附键(M2,M5)时,吸附能最大,为强化学吸附;形成较弱双吸附键C-Fe及配位键O-Fe(M3)时,吸附能次之;当CO2垂直底物表面吸附(M4)时,氧原子只能与Fe原子形成单键,吸附力很弱,为弱物理吸附;在M1吸附模式中,CO2分子的C原子吸附在Fe原子上,M1的吸附能也不太大,约为1.87 ev,属于弱化学吸附.Mullik-en电荷计算表明,当吸附分子CO2电荷愈负,与底物的吸附力愈强,与吸附能的计算结果相一致,同时由于电子转移形成CO2x-,导致金属失去电子而易被腐蚀.     

论(Cl_2BN_3)_n(n=1-4)簇合物

用密度泛函论B3LYP/6-311+G*法,计算(C1_2BN_3)_n(n=1-4)簇合物的结构和性质.发现,多聚体(C1_2BN_3)_n(n=2-4)的优化构型原来是由不同子体系的叠氮基α-N和B原子相连而形成的环状结构。几何参数的比较分析还发现N_α-B、N_α-N_β、N_β-N_Υ和B-Cl的键长与聚合度密切相关,环状构型中B-N_α-B键角总比N_α-B-N_α大。同时计算所有优化构型的振动频率,将其IR谱归类.通过热力学计算,发现簇合物的稳定性为3A>3B;4A>4B.由焓变可知,从单体形成二聚体于热力学不利,而形成最稳定三聚体和四聚体的温度分别达800K和500K仍是有利的.     

SO_4~(2-)微观水合结构DFT研究

运用密度泛函理论(DFT)计算方法系统研究硫酸根阴离子水合团簇,[SO_4(H_2O)_n]~(2-)(n=1-18),微观水合结构。理论计算采用ωB97XD泛函和6-311++G(d,p)基组。每个尺寸团簇结构,尽可能考虑所有合理初始结构,以此进行结构优化和频率分析等。结果表明,气相和液相条件下SO_4~(2-)与H_2O之间的相互作用能和溶剂稳定化能均与团簇尺寸n成线性关系,因此优化得到稳定结构均是合理构型。在[SO_4(H_2O)_n]~(2-)水合团簇稳定结构中,氢键的形式有两种,即溶质-溶剂(SO_4~(2-)…HOH)之间形成的对称双氢键,以及溶剂-溶剂(H_2O... HOH)之间形成的氢键。当SO_4(H_2O)_n]~(2-)水合团簇的尺寸为5个水分子时,由于水分子内氢键的形成,出现氢键环状结构,且团簇结构中出现水分子内氢键时,结构较为稳定。随着n增加,氢键结构逐渐变为网状直至稳定的笼状。通过能量参数和键参数分析可知,当团簇尺寸n≥18时,SO_4~(2-)第一水合层水分子数≥9,而第二水合层还有待进一步研究。同时随着浓度降低SO_4~(2-)与H_2O分子之间总相互作用能增加,溶液中溶剂-溶质相互作用增强。     

H2O和O2在Al(111)表面吸附的密度泛函理论研究

采用第一原理密度泛函理论中的广义梯度近似计算方法对H2O和O2分子在Al(111)表面的吸附性质进行了结构、能量和电子分析,系统研究了这2种气体分子在Al(111)表面的吸附行为及其与Al(111)表面的相互作用机理。计算结果表明：H2O分子易在Al(111)表面的top位吸附且构型倾斜时最稳定,整个吸附过程为弱的化学吸附;吸附过程中表面铝原子的电子向H2O分子发生转移,H2O分子自身的构型仅受微扰作用。O2分子在Al(111)表面的吸附倾向于以分子键平行于表面,表面铝原子向O2分子的电荷转移是O2分子解离的驱动力,吸附过程中O2分子易发生解离,解离后的氧原子稳定吸附于fcc位,其次为hcp位,整个吸附过程为强的化学吸附。     

W_nH_2(n=1-6)团簇结构与性能的理论研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法在LANL2DZ基组水平上对H_2与W_n(n=1-6)团簇的相互作用进行了计算研究。结果表明,W_nH_2体系的最低能量结构是H2分子的解离性吸附,基本是在W_n团簇最低能量结构的基础上吸附H原子生长而成,说明吸附H原子未改变W_n(n=1-6)团簇的结构和形状;W_nH_2团簇的稳定性比W_n团簇要好;NBO分析表明,W原子比H原子对电荷调节能力稍强,较易与其他原子作用形成新的混合团簇。     

Au_n(n=2–60)的结构及其性能的理论研究

金纳米团簇(Au_n)由于其特殊的几何结构和独特的物理化学性质近年来引起了人们的广泛关注。本文运用密度泛函理论系统研究了Au_n(n=2-60)团簇的结构和电子性质。研究结果表明,Au_n在原子数n≤13时为平面结构,n=14,15时开始由二维结构向三维结构过渡,Au20转变为金字塔结构。之后,随着团簇尺寸的增大,Au_n分别经历了类金字塔结构、双层扁平结构、中空笼状结构、密堆积结构和富勒烯结构等,并逐渐向核壳层结构、面心立方结构及堆垛错层结构等演变,当n32时,具有奇数原子的Au_n结构主要以堆垛层错结构的稳定构型存在。通过对金团簇的平均结合能、二阶能量差分和前线轨道能级差等随Au_n尺寸的变化趋势的计算和分析,发现偶数原子的Au_n比邻近的奇数原子的Au_n团簇更稳定,且在这些团簇中,Au_(20),Au_(32),Au_(58)等团簇表现出特殊的稳定性,具有一定的幻数效应。该研究结果将为Au_n构效关系的理解和研究及其应用结构的设计等提供重要的理论依据和数据参考。     

苯与羰基钼相互作用的密度泛函研究

用密度泛函理论在B3LYP/LANL2DZ基组水平上自由优化(η~x-C_6H_6)Mo(CO)_n(x=1-6;n=1-5)复合物体系的可能构型及计算相互作用能,探索不同羰基数对复合物稳定性、苯和羰基钼相互作用的影响,并分析苯和羰基钼相互作用的NBO。结论(1)苯以η~6与Mo(CO)_n(n=1-3)配位形成的复合物比较稳定,但η~6配位复合物CO的个数越多,则越不稳定;(2)复合物1、2、3和10中,Mo(CO)_n与苯的相互作用拉动电荷由苯的π键电子向Mo(CO)_n的σ_(Mo-CO)~*键转移,而在复合物7中,苯的π键电子向Mo(CO)_n中Mo的孤对电子轨道d转移。     

Cr(CO)_n(n=1-5)与C_6 H_6相互作用的密度泛函研究

用密度泛函理论在B3LYP/LANL2DZ基组水平上对(η~x-C_6H_6)Cr(CO)_n(x=1-6;n=1-5)复合物体系的可能构型进行了自由优化及相互作用能的计算,研究了不同羰基数对复合物稳定性、苯和羰基铬相互作用的影响,并对苯和羰基铬相互作用进行了NBO分析。得到以下结论:(1)当n≤3时,苯与Cr(CO)_n以η~6配位;当n≥4时,苯与Cr(CO)_n以η~2配位;(2)最稳定复合物中随羰基数的增加Cr-C_(benzene)平均键长增长,最大二面角H-C-C-H偏离碳环的角度随复合物对称性降低而逐渐增大;(3)当n为奇数时,复合物相互作用主要表现为苯C-C键的π轨道和Cr-CO键的σ反键轨道;当n为偶数时,复合物相互作用主要表现为苯C-C键的π轨道或π~*轨道与Cr的孤对电子轨道;(4)复合物羰基数越多,最稳定复合物的相互作用能数值越大,稳定性越小。     

MgO(001)表面掺杂金属Au/Pt吸附CO的密度泛函研究

采用密度泛函理论DFT/B3LYP方法研究掺杂了Au和Pt原子的MgO(001)表面吸附CO分子的吸附性质,通过对吸附体系几何构型的优化、能量和电子性质等的计算,结果表明,对于MgO(001)完美表面,掺杂Pt原子比Au更容易吸附CO分子;在MgO(001)表面不同氧缺陷位(O_(5c)/O_(4c)/O_(3c)),掺杂了Au和Pt原子后吸附CO分子的能力依次分别为:O_(3c)O_(5c)O_(4c)和O_(5c)O_(3c)O_(4c),其中掺杂了Pt原子的O_(5c)位吸附能最低。由此可知Pt原子的掺杂及具有氧缺陷的MgO(001)表面,均有利于吸附CO分子。     

铁卟啉化合物与氧气分子形成的体系的密度泛函理论研究(英文)

采用密度泛函理论B3LYP方法在6-31G(d)基组水平下对氯化铁(+3)卟啉与氧气分子形成的体系进行了研究,得到了几何构型,电子性质及分子轨道结构等相关数据.对两个体系不同自旋状态下的几何构型参数和电子性质对比发现:受体系立体构型对称性的影响,在两个体系中凡是与卟啉环上N原子相关的几何参数及电子性质均呈现出相同规律性.又采用密度泛函理论UB3LYP/6-311G*//UB3LYP/6-31G*方法对这两个体系不同自旋状态下的能量进行了计算,分析表明自旋多重度越高体系越稳定.然后分别分析了两个体系在最稳定自旋状态下的分子轨道占据情况及中心Fe原子最外层3d轨道的电子分布情况,结果表明Fe原子的3d二和3dxz/3dyz与氧气分子的单占据反键轨道HOMO π*2px/π*2py之间存在相互作用,这种相互作用引起铁卟啉环与O2分子间的电子转移并使O2活化.然而,根据分析在通常状态下铁卟啉对O2分子的活化作用是微弱的.     

建模法构建氧化硼笼状团簇结构

类似于C60的富勒烯笼状结构,理论计算表明化学计量关系的氧化硼团簇也倾向于形成笼状结构。对于小尺寸(B2O3)n团簇(n≤6),我们已经采用第一性原理全局优化方法预测了其结构。然而第一性原理结构预测非常耗时,目前的计算条件下很难做到更大尺寸。因此,我们研究了氧化硼笼状团簇的特点,提出了一种建模的方法用于构建大尺寸团簇的构型。以高对称(B2O3)n(n=2-5)团簇(四面体,三棱柱,正方体,五棱柱)为模板。用六元环(B3O3)取代顶点B原子可以增加一个B2O3单元,从而可以得到各种可能的大尺寸(B2O3)n团簇。最后采用密度泛函方法优化这些候选结构,从而预测了更大尺寸下(B2O3)n团簇(n=7-15)的几何构型。     

NO在Cu-ZSM-5上吸附机理的量化研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在LanL2DZ基组下,研究了NO在铜离子交换型沸石分子筛催化剂(Cu-ZSM-5)上的吸附情况。首先优化了吸附模型的几何构型参数,然后通过分析Mulliken电荷分布和轨道布居数,进一步探讨了NO在Cu-ZSM-5上吸附成键和活化机理。结果表明:与非负载型Cu相比,Cu-ZSM-5对NO的吸附和活化性能均有提高(其中,负载型Cu~0对N-O键的拉长效应以及吸附能分别为:E=146.2～175.5 kJ·ml~(-1),r=0.065～0.088 A;负载型Cu~+对N-O键的拉长效应以及吸附能分别为:E=105.8～120.8 kJ·mol~(-1),r=0.006～0.012 A)。轨道分析还表明:Cu的3d和4s电子通过dsp杂化参与π~*反馈而导致NO的活化,同时Cu的σ价电子与NO的5σ电子排斥作用的减小是吸附能增加的主要原因。通过相关系列的量化研究,将为氮氧化物NO_x(NO+NO_2)的去除寻找合适的有应用价值的高效催化剂及最佳的去除条件提供理论依据。     

C_2H自由基与Cu_n~(0/-)(n=1-4)团簇的相互作用研究

采用密度泛函理论的B3LYP、BP86和PBE1PBE方法,对Cu_n~(0/-)(n=1-4)小团簇与C_2H自由基间的作用进行了研究。结果表明:在C_2HCu_n~(0/-)(n=1-4)的最稳定结构中,C_2H自由基和Cu团簇都作为整体单元存在,Cu团簇与C_2H自由基中的端基C发生相互作用。自然振动理论(NRT)和自然键轨道(NBO)计算结果表明:团簇与自由基间的相互作用主要是离子键作用。由于Cu团簇与C_2H自由基的相互作用,在红外吸收光谱中,C_2H自由基的C≡C和C-H键的伸缩振动发生了红移,而随着Cu团簇中Cu原子数目的增多,C-Cu键的伸缩振动发生了蓝移。基于含时密度泛函(TDDFT)计算。模拟了C_2HCu_n(n=1-4)阴离子最稳定结构的光电子能谱(PES)。     

SrO(Sr1-xLaxTiO3)n(n=1,2,∞)热电性能与电子结构的研究

为研究掺杂对材料热电性能的影响,用新溶胶凝胶法合成SrO(Sr_(1-x)La_xTiO_3)_n(n=1,2,∞)陶瓷材料,测试其热电性能,其中包括电导率和Seebeck系数(S)。层状结构的SrO(Sr_(1-x)La_xTiO_3)_n(n=1,2)电导率明显低于非层状结构,这是由于有绝缘的SrO层而造成。n=1和n=∞的2个试样在室温时的Seebeck系数相近,均为-99.39μV K~(-1)。为研究材料性能与结构的关系,使用密度泛函理论计算SrO(SrTiO_3)_n和SrO(Sr_(1-x)La_xTiO_3)_n(n=1,2,∞)材料的带状结构(band structure)、总态密度(total density of states)和局部态密度(partial density of states)。其电子结构明显呈二维特性。SrO(Sr_(1-x)La_xTiO_3)_n(n=1,∞)中Ti3d轨道费米能级附近态密度近似相等,等于1.05eV。这代表SrO(Sr_(1-x)La_xTiO_3)_n(n=1,∞)在低温具有相近的Seebeck系数。计算与实验结果相符。     

(C_2H)_2M_n(M=Cu、Ag、Au;n=1-4)团簇的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP和PBEIPBE方法,对(C_2H)_2M_n(M=Cu、Ag、Au;n=1-4)团簇的结构和性质进行了研究。结果表明:(C_2H)_2M_n(M=Cu、Ag、Au;n=1-4)簇的最稳定结构都是在C_2HM_n(M=Cu、Ag、Au;n=1-4)簇最稳定结构的基础上,又与C_2H自由基相互作用的结果。NBO计算结果表明:银与2个C_2H自由基的相互作用弱于铜和金。(C_2H)_2M_n(M=Cu、Ag、Au;n=1-4)簇最稳定结构的相互作用能均为负值,表明形成的团簇较稳定,并且出现了奇-偶振荡效应(n=1-4),含偶数个IB原子的团簇比含奇数个IB原子的团簇稳定。红外分析表明:(C_2H)_2M_n(M=Cu、Ag、Au;n=1-4)团簇中C_2H自由基的C≡C和C-H键的伸缩振动都发生了红移,随着团簇尺寸的增加(n=1-4),也出现了奇-偶振荡效应。     

CO在贵金属Pt(111)表面吸附的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究CO在Pt(111)表面的吸附位和活化机理。研究采用三维周期结构取代以往的团簇模型,消除金属表面结构选择对计算结果的影响。结果表明,CO在不同的表面活性位吸附后C-O键有不同程度的增长,即C-O键均不同程度地削弱,从而活化CO分子。经比较吸附能、化学键参数和CO重叠布居数,发现在顶位、桥位、hcp空穴位和fcc空穴位4个吸附位中,fcc空穴位是CO的最佳活性位。通过考察原子轨道电子变化,分析CO在Pt(111)表面的吸附活化机理,得到了CO分子在Pt(111)表面吸附的σ／π键作用机理。     

杂合型全局优化法优化Sr2+(H2O)n团簇

以半经验的势能函数描述H_2O-H_2O之间和Sr~(2 )-H_2O间的相互作用,采用杂合型全局优化法(fast hybrid global optimiza- tion algorithm,FHGOA)搜索Sr~(2 )(H_2O)_n(n=1-30)团簇的最优结构。结果表明：当n=1-8时,团簇为n_1 0结构,其中,在n_1=5-7时,优化出的团簇结构与实验结果相吻合；当n=9-19时,团簇结构为8 n_2结构；当n=20-30,团簇结构为9 n_2结构。根据实验结果推断：在Sr~(2 )水溶液中,Sr~(2 )的水化数为9,此结果和MC模拟的结果是一致的。     

SnO2(110)面结构及O2吸附特性的密度泛函分析

根据密度泛函理论,采用广义密度近似和总体能量平面波赝势方法,计算了SnO2氧化(110)面、还原(110)面的结构及电子特性,研究了O2以不同方式在还原(110)表面的吸附.计算结果发现, 氧化(110)面和还原(110)电子态密度同体材料有较大不同,SnO2(110)的电导行为主要受氧空缺在禁带中引入的表面电子态的控制.氧气在还原(110)面4配位的Sn离子上发生的三种吸附均为自发吸附,其中O2平行于表面和4配位Sn轴的侧位吸附方式最为稳定,且这种吸附方式对 SnO2表面电导率改变的贡献最大.