碱土金属Mg外掺杂硼笼B40Mg6的储氢性能

对外掺杂碱土金属Mg的B₄₀硼笼的储氢性能进行了密度泛函理论研究. 结果表明, B₄₀笼含有2个六元环与4个七元环. 多个Mg原子对B₄₀笼进行外掺杂时不会发生成簇现象, 有利于进一步储氢. Mg原子外掺杂的B₄₀笼对H₂分子的平均吸附能介于物理吸附与化学吸附之间(0.1~0.8 eV). 体系的储氢密度达到7.60%(质量分数). 储氢结构能在常温常压下释放H₂分子, 因此, Mg原子外掺杂的B₄₀笼比Mg合金具有更好的储氢性能.     

氢在Mg_2Ni(100)面的吸附及扩散

运用第一性原理研究氢在清洁和掺杂Al的Mg2Ni(100)面的吸附及扩散.在清洁Mg2Ni(100)表面,氢原子可稳定地吸附于Mg-Ni桥位和Mg-Mg桥位,吸附能为1.19-1.52eV.在掺杂Al的Mg2Ni(100)表面,氢原子可稳定吸附于Al-Ni、Mg-Ni、Mg-Al桥位,吸附能为0.10-0.29eV.氢在掺杂Al的Mg2Ni(100)表面的吸附能低于其在清洁表面的吸附能,说明掺杂Al后氢原子与表面的相互作用减弱.过渡态计算结果表明,氢原子由清洁的Mg2Ni(100)面及掺杂Al的Mg2Ni(100)面扩散至次表层的势垒分别为0.59及-0.04eV,掺杂Al后氢原子的扩散势垒降低,说明氢原子更易由掺杂Al表面扩散至次表层.Al原子替代Mg2Ni(100)面的Mg原子减弱氢原子与表面的相互作用,降低氢原子由表层扩散至次表层的势垒,这可能是Mg2Ni合金掺杂Al可改善其吸氢动力学性能的主要原因之一.     

Al轻掺杂对CaMnO_3晶态材料结构与电迁移性质的影响研究

通过电子平面波函数密度泛函理论的计算分析方法系统研究了Ca位Al轻掺杂钙钛矿结构CaMnO_3基晶态材料的晶体结构、电子结构和载流子迁移性质.结果表明,Al轻掺杂使得CaMnO_3基晶态材料的晶格参数增大,在b轴方向上增大程度最高,在c轴方向上增大程度最小.Ca位Al轻掺杂之后,CaMnO_3中的O—Mn—O八面体向2个O顶点方向拉长,八面体产生扭曲变形.Al轻掺杂前后的CaMnO_3基晶态材料均为间接带隙半导体,其带隙宽度分别是0.713和0.695 eV,Al掺杂属于电子型掺杂.经过Al掺杂之后CaMnO_3基晶态材料的导带有效质量大大提高.Al掺杂CaMnO_3基晶态材料费米能以下,p状态态密度最高,s状态态密度最低;在费米能以上,d状态态密度最高,s状态态密度最低.Al掺杂大大提高了CaMnO_3基晶态材料的载流子浓度.CaMnO_3中O—Mn—O八面体中底平面上的O原子电子对载流子迁移过程的贡献大于顶点处的O原子电子贡献程度.     

铜族金属与完整及氮掺杂石墨烯的相互作用

基于广义梯度密度泛函理论和周期平板模型,研究了铜族金属单原子和双原子簇与完整及氮掺杂石墨烯的结合情况.结果表明,氮掺杂后石墨烯的电子结构特性由半金属性变为金属性;铜族金属在完整及石墨型氮掺杂石墨烯上的吸附较弱,结合能约为0.5eV,而在吡啶型氮掺杂和吡咯型氮掺杂石墨烯上有较强的化学吸附,结合能一般大于1eV;吡咯型氮掺杂后的构型不稳定,金属原子及簇与包含该结构的石墨烯衬底作用时会使其向吡啶型氮掺杂转变,并最终得到基于吡啶型氮掺杂的稳定吸附构型.Mulliken电荷布居分析显示,吸附在吡啶型氮掺杂石墨烯上的金属单原子与金属双原子簇带电性质相反.态密度及轨道分析表明,Cu与吡啶型氮掺杂石墨烯空位处留有悬挂键的三个原子成键,而Au与其中两个C原子成键.     

碳掺杂α-S_8的光学性质和弹性性质的第一性原理计算

采用第一性原理研究了C原子在光催化剂α-S8中掺杂后体系电子结构、能带结构、光学性质、弹性性质以及其各向异性的变化规律.结果表明C原子在α-S8中掺杂后新形成的C―S键键长变短、键的重叠布居数增加、电荷密度增加,表明新键的共价性变强.掺杂结构的带隙为2.64 eV,比纯α-S8的带隙小0.15 eV,表明掺杂后的结构导电性增强.掺杂结构的光吸收波长延长至650 nm左右,极大地提高了α-S8的光吸收效率.弹性性质计算表明C掺杂后α-S8的机械性能下降,但仍为脆性材料.各向异性的研究表明掺杂后的材料各向异性增强.     

Al,Zn,Cu和Cd固溶于B2-MgLi本征特性的第一原理研究

采用第一原理方法研究镁锂中间相化合物固溶体的本征特性,研究了Al,Zn,Cu和Cd固溶于B2-MgLi合金中形成Mg8Li7X固溶体及Mg4Li3X固溶体的态密度,并对其晶格常数、弹性模量、体模量与剪切模量之比B/G以及泊松比ν进行了计算.结果表明:固溶体晶格常数与合金原子半径的变化趋势相同,Al固溶于B2-MgLi合金中形成Mg8Li7Al固溶体热力学上是不稳定的,Zn和Cd固溶于B2-MgLi合金,合金的强度得到提高,但韧性和塑性降低;相反,Cu固溶于B2-MgLi合金,不利于合金强度的提高,但能增强合金的韧性和塑性.     

Mg、Zn掺杂AlN电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法, 对Mg、Zn 掺杂AlN 的32 原子超原胞体系进行了几何结构优化, 从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数, 对纤锌矿结构AlN 晶体及AlN:Mg、AlN: Zn 的结构、能带、结合能、电子态密度、集居数、差分电荷分布进行计算和分析. 计算结果表明, AlN:Mg、AlN: Zn 都能提供很多的空穴态, 形成p 型电导, 并且Mg是较Zn 更好的p型掺杂剂.     

Al修饰C_2N对甲醛降解的吸附增强机理及潜在催化活性的密度泛函理论研究（英文）

羰基化合物,特别是甲醛,是室内最常见的对人体有害的空气污染物之一.如何对甲醛进行有效的控制已成为当前研究热点.在本工作中,我们使用密度泛函理论化学计算方法研究了甲醛分子在C_2N和Al修饰C_2N上的吸附性能.结果表明,纯C_2N对甲醛分子的吸附能力较弱,吸附能仅为–0.583 eV,C_2N经Al原子修饰改性后,吸附能为–2.585 eV,超过了改性前的4倍,有效增强了体系对甲醛分子的吸附能力.为了研究甲醛分子在Al修饰C_2N上的吸附增强机理,我们对局部态密度(PDOS)、Mulliken电荷分布及电子密度分布进行了计算.结果表明,Al原子修饰改变了附近的电子分布,从而改变了修饰Al原子的化学和物理行为,使其起到了连接甲醛分子和C_2N层的桥梁作用,从而加强了吸附能力.此外,为了研究产生对甲醛活化有效的羟基自由基(·OH)和超氧(O_2~(·–))自由基的可能,我们还计算了C_2N结构对H_2O分子和O_2分子的吸附.结果表明,Al修饰的C_2N对H_2O分子和O_2分子同样有很强的吸附能力.对于H_2O分子,在纯C_2N结构中的吸附能为–0.743 eV,在Al原子修饰后的结构中,其吸附能高达–3.177 eV,并且此时H_2O分子能够自发解离成一个羟基和一个H原子,其中羟基与修饰的Al原子相连,这为羟基自由基的生成提供了良好的条件.而对于O_2分子,在纯C_2N结构中的吸附能仅为–0.206 eV,在Al原子修饰后其吸附能高达–2.767 eV,约为修饰前的13倍,这使得化学吸附的O_2分子也具有更高的获得额外电子和高电位被激活为超氧自由基的潜能,这也为超氧自由基的生成提供了良好基础.上述研究表明,Al修饰C_2N是一种有前途的材料,可用于甲醛分子的吸附及催化降解.     

杂原子掺杂的含单空位缺陷BN纳米管的非线性光学性质

采用密度泛函理论(DFT)研究了杂原子M(M=Li, Na, K, Be, Mg, Ca, C和Si)在B/N单空位缺陷处的掺杂对(6,0)BN纳米管体系非线性光学性质的影响. 采用B3LYP方法共得到了14种几何构型, 并采用BHandHLYP方法计算了这些结构的第一超极化率β₀值. 研究结果表明, 单纯的B或N缺陷几乎不影响BN纳米管体系的非线性光学性质; 与B缺陷处掺杂的体系相比, 杂原子在N缺陷处的掺杂更有利于提高BN纳米管体系的第一超极化率β₀值; 对于同周期掺杂原子, 还原性越强的原子掺杂对BN纳米管体系的第一超极化率β₀值的改善越明显, 表现为β₀(Ⅰ族)>β₀(Ⅱ族)>β₀(Ⅳ族); 对比同主族掺杂原子, 第三周期元素Na和Mg的掺杂能更有效地提高体系的第一超极化率β₀值, 原因主要在于原子半径和还原性等因素共同决定其对BN纳米管体系第一超极化率β₀值的改善程度. 本文研究结果为有效提高BN纳米管体系的非线性光学性质提供了一种新思路, 为基于BN纳米管的非线性光学材料设计提供了有价值的理论信息.     

Al掺杂Sn12-团簇结构及电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3PW91方法,在混合基组水平上对Al掺杂Sn12-团簇几何结构和电子结构进行了计算分析.结果表明,Al内掺杂Sn12-团簇能量更低更稳定,但LU-MO-HOMO能隙较小.外掺杂多面体簇中,电荷从Al原子移向Sn12-笼,趋向形成[Al+Sn122-]结构;内掺杂多面体簇中,电荷从Sn12-笼移向Al原子,趋向形成[Al-@Sn12]结构.     

In、Sc掺杂对SrTiO3电子结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法, 研究了In、Sc p型掺杂对SrTiO3母体化合物稳定性、电子结构和光学性质的影响. 计算结果表明:掺杂后, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3的稳定性降低, 体系显示p型简并半导体特征, 掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生变化. 同时, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系的光学带隙分别展宽0.35、0.30 eV, 光学吸收边发生蓝移, 在1.25-2.00 eV的能量区间出现新的吸收峰, 该吸收峰与体系Drude型自由载流子的激发相关. 此外, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系的可见光透过率有了明显的提高, 在350-625 nm波长范围透过率高于85%. 掺杂原子在费米能级处低的电子态密度限制了跃迁概率和光吸收. 大的禁带宽度、小的跃迁概率和弱的光吸收是SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系具有较高光学透明度的原因.     

不同SnO2晶体结构的力学性能及电子结构

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,用广义梯度近似(GGA)PBE交换相关泛函,对高压相变产生五种不同 SnO2晶体结构的电子结构和力学性质进行了第一性原理计算.计算结果表明,Pnam型SnO2的形成相对困难,体模量较大,Pbca和Pnam型SnO2的维氏硬度值相差不明显.不同晶体结构的带隙存在差异,导带区域电子分布和弥散程度大于价带区域,局域性差.五种SnO2晶体结构的价带部分约在-10-0 eV和-20--15 eV处,主要贡献来自于O2p、2s轨道.光学性质计算表明,Pnam结构对紫外波段光的吸收最明显,同时给出电子轨道跃迁规律.     

不同SnO2晶体结构的力学性能及电子结构

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法, 用广义梯度近似(GGA)PBE交换相关泛函, 对高压相变产生五种不同SnO2晶体结构的电子结构和力学性质进行了第一性原理计算. 计算结果表明, Pnam型SnO2的形成相对困难, 体模量较大, Pbca和Pnam型SnO2的维氏硬度值相差不明显. 不同晶体结构的带隙存在差异, 导带区域电子分布和弥散程度大于价带区域,局域性差. 五种SnO2晶体结构的价带部分约在-10 - 0 eV和-20 - -15 eV处, 主要贡献来自于O 2p、2s轨道. 光学性质计算表明, Pnam结构对紫外波段光的吸收最明显, 同时给出电子轨道跃迁规律.     

Ti,V, Nb掺杂MgH2储氢体系的放氢性能及微观机理

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法, 计算了过渡金属元素Ti, V, Nb掺杂MgH₂储氢体系的几何构型、能量与电子结构. 结果显示: Ti, V, Nb掺杂原子较Mg表现出更强的“亲氢性”, 掺杂原子在吸引周围H原子同时却削弱了体系中的H—Mg键强|掺杂体系相结构稳定性降低, 放氢性能提高, 且体系放氢能力按MgH₂-Ti, MgH₂-V, MgH₂-Nb顺序依次增强|放氢过程中, 掺杂原子与周围H原子所形成的氢化物团簇对改善体系放氢性能表现出主要的催化活性|掺杂元素改善MgH₂体系放氢性能的微观机理在于掺杂体系在费米能级附近能隙的变窄、低能级区成键电子数的减少以及H—Mg间相互作用的减弱.     

Cu掺杂MgF2晶体的电子结构及光学特性

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纯的MgF2晶体和掺杂不同原子分数(2.08%,4.16%,6.24%)Cu的MgF2晶体结构、电学性质以及光学性质.结果表明:Cu的掺入导致MgF2晶体禁带宽度逐渐变窄,并且Cu掺杂使得MgF2晶体折射率和吸收峰增加,特别是在4eV附近区域出现了新吸收峰.同时也给出了引起体系性质变化的物理机制,Cu掺杂MgF2晶体在光电化学方面有着潜在的应用价值.     

Mg取代对LiBH4（010）面结构和储氢性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了Mg取代Li原子对LiBH4(010)面的晶体结构、H原子解离能及H原子迁移的影响.结果发现,Mg取代后B—H键长增大,更易于H原子的解离.氢空位的出现也使其附近H原子的解离能减小.电子结构计算结果表明,Mg取代Li原子后,减弱了B—H之间的共价作用.通过对氢原子在[BH4]单元之间扩散能垒的计算发现,Mg取代Li原子后,H原子的扩散能垒由4.84 eV降为3.01 eV,表明H原子在体相内更容易迁移.     

同晶置换改性FAU分子筛结构及吸附性能的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法,考察了八面沸石(FAU)型分子筛β笼孔道结构内含氧化合物(甲醇、二甲醚、丙醛)的吸附,并进一步计算研究了Zn,Ca同晶置换改性的作用机理.研究结果表明,β笼孔道结构内,Al原子为甲醇、二甲醚和丙醛的吸附活性位,Si原子无吸附活性.Zn,Ca掺杂的β笼结构内,正2价的Zn和Ca掺杂替换正3价的Al,导致邻近的Si原子位置形成缺电子空穴,增强了甲醇、二甲醚和丙醛的吸附,而杂原子Zn和Ca本身并没有吸附活性.     

In、Sc掺杂对SrTiO_3电子结构和光学性质的影响(英文)

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,研究了In、Sc p型掺杂对SrTiO_3母体化合物稳定性、电子结构和光学性质的影响.计算结果表明:掺杂后,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3的稳定性降低,体系显示p型简并半导体特征,掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生变化.同时,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系的光学带隙分别展寬0.35、0.30 eV,光学吸收边发生蓝移,在1.25.2.00 eV的能量区间出现新的吸收峰,该吸收峰与体系Drude型自由载流子的激发相关.此外,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系的可见光透过率有了明显的提高,在350-625 nm波长范围透过率高于85%.掺杂原子在费米能级处低的电子态密度限制了跃迁概率和光吸收.大的禁带宽度、小的跃迁概率和弱的光吸收是SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系具有较高光学透明度的原因.     

MER型沸石骨架和骨架外阳离子的分子模拟

针对MER型沸石骨架和骨架外阳离子进行分子模拟研究。采用密度泛函理论(DFT)计算MER型沸石骨架中Al替代Si的替代能,确定了沸石骨架中Al替代Si的位置顺序,其优先位置为T_2;确定了骨架最小Si/Al为1.67。在此基础上,应用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法模拟MER型沸石骨架外阳离子的位置,并用DFT计算其结合能。结果表明,骨架外K~+、Na~+及NH_4~+有3种吸附位置,K~+优先占据弯曲的八元环;吸附位置中,K~+与NH_4~+优先吸附在Ⅱ位,其次是Ⅰ位,最后是Ⅲ位;在低Si/Al时,Na~+优先吸附在Ⅱ位和Ⅰ位,随Si/Al增加,Na~+优先吸附在Ⅲ位;从结合能的角度,沸石对K~+的吸附能力最强,其次是Na~+,最后是NH_4~+;Ⅲ位阳离子最容易交换,其次是Ⅰ位,最难交换的是Ⅱ位;阳离子与骨架的结合能越大,MER型沸石骨架外阳离子与骨架原子O和Al的平均距离越小。     

N掺杂p-型ZnO的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了纤锌矿ZnO和N掺杂p-型ZnO晶体的电子结构, 分析了N掺杂p-型ZnO晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布以及H原子和N2分子对p-型掺杂ZnO的影响.