锕系金属(铀和锔)内嵌硼球烯的理论研究

最近发现的全硼富勒烯（硼球烯,D_2d B^-/0₄₀）,开启了硼球烯化学研究的新篇章。类似于富勒烯,金属掺杂也是硼球烯修饰和功能化重要途径。本工作采用密度泛函理论预测了一系列锕系金属掺杂硼球烯［An@B₃₉］ⁿ⁺（An=U,n=3;An=Cm,n=2）。理论计算表明,这些硼球烯均为稳定的金属内嵌硼球烯,其中［U@B₃₉］³⁺的能量最低,结构具有C₃对称性,而［Cm@B39］²⁺为C₁结构。成键性质分析表明,［U@B₃₉］³⁺和［Cm@B₃₉］²⁺均存在σ和π离域键。另外［An@B₃₉］ⁿ⁺中U-B键的共价相互作用强于Cm-B键,且［U@B₃₉］³⁺较［Cm@B₃₉］²⁺更稳定。因此,An-B键的共价特征对于这些锕系金属内嵌硼球烯的形成是必不可少的。本工作扩展了硼球烯体系,并为新型稳定金属内嵌硼球烯的设计提供了理论线索。     

用密度泛函理论研究氚在高温气冷堆核级石墨的吸附与解吸附行为

为研究氚在高温气冷堆核级石墨上的吸附和解吸附行为,本文利用密度泛函理论,采用氢原子代替氚原子的办法,通过理论计算得到了氚在高温气冷堆核级石墨上的结合能,通过模型分析得到了氚在高温气冷堆核级石墨上的吸附、解吸附机理与相应的份额,并得到HTR-10在20年寿期末各部分氚的累积量及事故工况下氚释放量的估计值。本文结果为研究估算高温气冷堆氚释放的机理提供了一条新思路。     

Pu化合物电子结构的密度泛函理论计算

为了从电子层面揭示δ相Pu中化学吸附原子与Pu原子间的化合过程,提出相应的Pu金属表面抗腐蚀技术。采用局域密度近似(LDA)+U(Hubbard U参数是对Coulomb排斥相互作用的修正)方法研究了PuH2、PuH3、PuC、PuN、PuO、β-Pu2O3、PuO2、PuS的偏态密度(PDOS)和差分电荷密度,通过PDOS分析了Pu 5f、6d状态和H 1s、C 2p、N 2p、O 2p、S 3p状态间的杂化和混合效应,以及Pu原子与化合物原子间的化学成键行为。计算结果表明:PuH2具有金属特性,PuH3中Pu—H化学键本质上是离子性的,Pu—C化学键具有共价行为,Pu—O、Pu—N和Pu—S化学键具有离子性行为,β-Pu2O3和PuO2中Pu—O化学键具有共价行为,研究结果与其他研究结果一致。     

α-Pu和δ-Pu电子结构的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论框架下的平面波赝势方法,对α-Pu和δ-Pu的电子结构进行了对比研究。由电荷布居分析可知,α-Pu中8种位置的原子的轨道电荷分布各不相同,净电荷的得失主要由s和p电子贡献,而δ-Pu中各原子的轨道电荷分布一致,且无净电荷的得失;由态密度可知,α-Pu的态密度主峰较δ-Pu的态密度主峰峰值更低、宽度更宽,表明α-Pu中平均键能强于δ-Pu,导致其更难发生塑性形变。此外,α-Pu电子的能量总体上低于δ-Pu电子的,这也是α-Pu的室温稳定性高于δ-Pu的重要原因。α-Pu中8种不同位置Pu原子的分波态密度的计算结果表明,8号位置Pu原子的5f电子关联性最强,对α-Pu的自旋矩贡献最大,而1号位置Pu原子的5f电子关联性最弱,对自旋矩的贡献最小;由电荷密度图可知,δ-Pu的电子云为均匀的球形,无明显的相互作用,呈现典型的金属键特征,而α-Pu的电子云发生重叠,相互作用明显,具有共价行为,这也在一定程度上揭示了两者呈现不同延脆性机制。     

H原子在Zr(0001)表面吸附的第一性原理研究

结合蒙特卡洛(MC)模拟和第一性原理密度泛函理论(DFT)方法,从Zr-H体系微观结构、吸附概率、吸附能、Mulliken电荷布居数以及电子态密度等方面对H原子在α-Zr(0001)表面的吸附位点和吸附机理等进行计算分析。结果表明:H原子在Zr(0001)表面首先产生物理吸附,然后由物理吸附转变为化学吸附,吸附过程中电荷不断由Zr(0001)表面原子向H原子转移,最后趋于稳定。另外,稳定吸附后的H原子直接与Zr(0001)表面最表层原子生成化学键,且主要由H(s)、Zr(s)和Zr(d)轨道的电子态做贡献。综合分析得到H原子在Zr(0001)表面的吸附位点优先级顺序为密排六方间隙位(hcp位)>面心立方间隙位(fcc位)>桥位(bridge位),顶位(top位)不会产生吸附。     

铀的电子能量损失谱密度泛函理论计算及实验研究

采用密度泛函理论计算及实验获取了铀的电子能量损失谱（Electron energy loss spectroscopy,简称EELS）。计算的谱峰位置与实验一致。结合计算得到铀的能带及态密度对计算谱及实验谱特征峰进行分析,结果表明：由于铀的5f电子形成窄带对等离子体振荡贡献较小,6p电子的共振跃迁致使等离子振荡频率降低;实验谱中13．3eV能量损失峰为体等离子体振荡峰,20．3eV能量损失峰为6p能带到费米能级跃迁能量损失峰,27．6eV能量损失峰为两次体等离子振荡吸收峰。     

高温高压下LiD热力学性质的密度泛函理论研究

采用MS中CASTEP模块中的密度泛函理论方法,计算晶体的能量随体积变化的关系（E-V曲线）,运用准谐振子Debye模型研究了压力0~100GPa、温度0~2000K下的晶体LiD的热力学性质,包括热膨胀系数α随温度和压强的变化关系、体弹模量B₀随温度的变化、热容C_v与温度和压强的关系。预测了LiD晶体在高温、高压下的热力学性质。     

铀、钪族金属氮化碳配合物结构、成键和还原性质的密度泛函理论研究北大核心CSCD

石墨相氮化碳负载金属可制备高催化性能的单原子催化剂。本工作采用全电子相对论密度泛函理论研究了g-C_(3)N_(4)(CN)结构单元配位和稳定金属的行为;探索了形成配合物[M(CN)]^(z+)(M=Sc、Y、La、Ac和U;z=2和3)的结构、配体-金属相互作用和单电子还原性质。计算发现,配体通过六条M-N配位键配位中心离子,每条键强度为-0.79~-0.47 eV。对于Sc配合物,单电子还原主要发生在金属中心,而La和U配合物则是金属修饰的配体还原机制;Y配合物的配体和金属被均匀地还原;相比而言,Ac配合物的还原电子完全被配体捕获,金属几乎未参与。电子结构研究表明,[U(CN)]^(3+)具有3个U(5f)单电子高占据轨道,表明中心U为三价氧化态;而[U(CN)]^(2+)虽然具有4个U(5f)单电子占据轨道,但是配体的贡献是不可忽略的,即其U中心的氧化态介于二三价之间。     

H原子在γ-U(100)表面吸附与扩散的密度泛函研究

采用密度泛函理论方法研究了H原子在γ-U(100)表面的吸附和扩散。结果表明：H原子在γ-U(100)表面的最佳吸附位依次为穴位、桥位和顶位,吸附能分别为2.696、2.597和2.017 eV;H原子在γ-U中的最佳间隙位为四面体间隙,其次是八面体间隙,吸附能分别为1.534 eV和0.991 eV;H原子在铀表面以及近表面层的不同吸附位之间的扩散需克服不同的势垒,相比于间隙位,H原子更倾向于在γ-U(100)表面吸附聚集。     

多种密度泛函方法对NpO2+离子研究

用五类23种密度泛函方法在相对论有效势基组和6-311+G(d)水平上对NpO₂⁺的几何结构、电子结构和振动光谱进行计算研究,数据分析得到：(1) BLYP、G96LYP和B1B95方法不适合该离子的几何结构计算,其余密度泛函方法计算的键长值较合理,如BHandHLYP和B3LYP;(2) 在振动光谱计算方面,BLYP、G96LYP和MPWPW91方法不适用该体系研究,计算值偏低较多,VSXC和B98方法计算值与文献值吻合,其余方法计算结果相近;(3) 该离子的布居分析中,NBO的布居分析数据比Mulliken布居分析值更接近化学直观,而BHandH和BHandHLYP方法计算的离子前线轨道能差最大。     

W及W-Mo团簇吸附H2分子的密度泛函研究

采用密度泛函广义梯度近似(GGA)的PW91方法,用全电子基组DNP对Wn(n=2-5)及W-Mo团簇几何结构进行优化,计算团簇电子结构参数,考察H2分子在W团簇上的吸附行为,并计算W4、W2Mo2团簇吸附H2分子的Mulliken电荷布居.结果表明:Wn(n=2-5)团簇为共价性成键特点,吸附H2分子的吸附能在0.0...     

乙异羟肟酸与U、Np、Pu配合物的结构和热力学性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/RECP/6-31G(d,p)水平对U(Ⅵ)、U(Ⅳ)、Np(Ⅳ)、Pu(Ⅳ)与乙异羟肟酸(AHA)摩尔比为1∶1和1∶2配合物的结构和热力学参数进行了研究。结构计算发现,M-O键键长随原子序数增加而减短,对配合物进行自然轨道分析(NBO)发现,M和AHA的摩尔比为1∶1的配合物中M-O键是明显的离子键,共价成分很少,在1∶2配合物中M-O键共价成分增加。对配位反应的热力学参数进行计算发现,金属离子与AHA配合物的稳定性依次为Pu(Ⅳ)Np(Ⅳ)U(Ⅳ)U(Ⅵ),理论计算结果与实验测量得到的稳定常数顺序一致。     

基于协变密度泛函理论的258Fm诱发裂变动力学研究

采用基于协变密度泛函理论的含时生成坐标方法研究了258Fm低能诱发裂变动力学性质,重点探讨了裂变位能曲面、裂变碎片总动能分布和碎片质量分布等。研究表明,258Fm位能曲面中存在显著的对称裂变谷,因而其低能裂变碎片总动能分布与质量分布均呈单峰结构,且随剪裂线判据Qn（脖子处粒子数）从4减至1,碎片总动能分布变窄,碎片质量分布的峰值从988%增至1028%。此外,随初态激发能从83 MeV增至173 MeV,碎片质量分布峰值从988%降至855%。     

水合五氧化二锑-磷钼酸铵对锶、铯的吸附性能研究

研究多种因素对水合五氧化二锑(HAP)及水合五氧化二锑-磷磷钼酸铵(HAP-AMP)制备的影响,在实验条件下找到了HAP及HAP-AMP的最佳制备工艺。分别考察了HAP对Sr~(2+),HAP-AMP对Sr~(2+)、Cs~+的吸附性能。结果表明:在实验条件下,HAP对Sr~(2+)的最大吸附量可达0.73 mmol/g,而HAP-AMP对Sr~(2+)、Cs~+的最大吸附量可分别达到0.47 mmol/g和0.32 mmol/g;同时,HAP-AMP对Sr~(2+)、Cs~+的吸附还有显著的选择性。     

Be_n(n=1～6)团簇吸附H_2的密度泛函研究

采用密度泛函广义梯度近似(GGA)的PW91方法,用全电子基组DNP对Ben(n=2～6)团簇几何结构进行优化,计算了团簇的总能、平均结合能、振动频率、最高已占据轨道能级、最低未占据轨道能级、能隙、垂直电离势和垂直亲和势。在Ben(n=1～6)团簇的顶位、桥位和穴位吸附H2后,进行了吸附物的几何优化和能量计算,得到最佳吸附位,并计算了吸附前后的总态密度和Mulliken电荷布居。结果表明:团簇中Be原子数增多,稳定性增强;吸附H2的吸附能处于0.0061982～0.0089722a.u.之间;随着Be团簇原子数量增加,与H的s-p杂化程度增强;吸附位对应的电荷转移量越大,吸附越牢固。     

DFT方法研究LaNi5M（M=0，D，Al）的晶体结构和电子结构

根据密度泛函理论(Density functlional theory-DFT),利用总体能量平面波赝势技术,以平面波为基集,计算了LaNi5M(M=0,D,Al)型贮氢材料的晶体结构和电子结构,获得了不同材料的总体能量、键结构、态密度以及Mulliken布居值.根据计算结果,分析并得到了LaNi5、LaNi5D和LaNi4Al电子结构的变化规律,Al取代LaNi5中部分Ni原子时优先取代晶胞中3g位的Ni原子,讨论了LaNi5在吸氘前后键结构和态密度变化情况,并用MS(Material Studio)中的Reflex模块对所建立的模型进行了模拟计算,获得了材料的中子衍射谱图.经比较与实验谱符合较好.