应用ABEEM/MM力场模型研究水分子团簇(H2O)n(n=7～35)的性质

应用ABEEM/MM模型研究和计算了水分子团簇(H2O)n(n=7～35)的各种性质,如:优化的几何构型,氢键个数,结合能,稳定性,ABEEM电荷分布,偶极矩,以及结构参数、平均氢键个数和强度、团簇的递增结合能等,并描述了六聚水区域中所反映的从二维结构(从二聚水到五聚水)到三维结构(n>6的水分子团簇)的过渡,又进一步地预测了从立方体结构到笼状结构的过渡出现在n=12的水分子团簇中,随着类似于笼状结构特点的不断增强,五元环的富集程度有所增加.以上研究不仅系统研究和分析了水团簇的各种性质,而且对比Ab initio研究和实验结果,进一步验证了ABEEM/MM模型的合理性以及参数的正确性和可转移性.     

乙醇-水分子团簇C2H5OH(H2O)n (n=1-9)稳定结构的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法, 在B3LYP/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对乙醇-水分子团簇(C₂H₅OH(H₂O)_n (n=1-9))的各种性质进行研究, 如: 优化的几何构型、结构参数、氢键、结合能、平均氢键强度、自然键轨道(NBO)电荷分布、团簇的生长规律等. 结果表明, 从二维(2-D)环状结构到三维(3-D)笼状结构的过渡出现在n=5的乙醇-水分子团簇中. 此外, 利用团簇结合能的二阶差分、形成能、能隙等性质, 发现在n=6时乙醇-水分子团簇的最低能量结构稳定性较好, 可能为幻数结构. 最后, 为了进一步探讨氢键本质, 将C₂H₅OH(H₂O)_n (n=2-9)最低能量结构的各种性质与纯水分子团簇(H₂O)_n (n=3-10)比较, 结果表明前者与后者中的水分子之间氢键相似.     

Sr2+和Ba2+水分子体系结构和结合能的从头算和ABEEM/MM研究

应用从头算方法和ABEEM/MM浮动电荷分子力场, 研究了水合碱土离子团簇Sr²⁺/Ba²⁺(H₂O)_n (n=1-6), 构建了离子-水相互作用的ABEEM/MM势能函数, 获得了水合离子团簇的稳定结构, 计算了结合能. 计算结果表明, ABEEM/MM方法的结果和从头算方法的结果有很好的一致性. 进一步应用ABEEM/MM对Sr²⁺和Ba²⁺水溶液进行了分子动力学模拟. 对Sr²⁺水溶液, 得到的Sr²⁺-水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.257和0.464 nm处, 第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.2和11.4; 对Ba²⁺水溶液, 得到的Ba²⁺与水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.269和0.467 nm处, 第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.9和12.4. 这与实验值或其它理论模拟结果有较好的一致性. 对比外层的水分子, 金属离子的极化作用使得溶液中第一水合层中水分子的O―H键长增长, HOH键角减小.     

Cux (x=1-4)团簇在CeO2(111)表面的吸附

用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Cu团簇(Cu_x, x=1-4)在CeO₂(111)表面的吸附. 研究发现当团簇比较小时(x=2, 3), 倾向于平铺表面; 当x=4时, Cu团簇在CeO₂(111)表面以三维的四面体结构吸附较为稳定, 从Cu 3d到Ce 4f的电荷转移使Cu团簇带正电荷. 由二维的菱形结构到三维的四面体结构的转变势垒为1.05 eV, 并且其中一个Cu原子直接迁移到另外三个Cu原子的空位顶部的转变路径比较有利. 在Cu团簇与CeO₂的相互作用过程中, Cu-O和Cu-Cu相互作用的竞争最终决定了Cu团簇在CeO₂上的形貌. 这种CeO₂(111)负载的带正电的三维Cu团簇将对水分解, 进而对水煤气反应具有高的催化活性.     

应用ABEEM/MM模型研究水分子团簇(H2O)n (n=11～16)的性质

应用ABEEM/MM 模型计算了较大的水分子团簇(H2O)n (n=11~16)的各种性质,如：优化的几何构型, 氢键个数, 结合能, 稳定性, ABEEM 电荷分布, 偶极矩, 以及结构参数、平均氢键个数和强度, 增加的团簇结合能等.结果表明,从立方体结构到笼状结构的过渡出现在n=12的水分子团簇中,随着类似于笼状结构特点的不断增强,五元环的富集程度有所增加.     

GamN (m＝1～9)团簇结构与稳定性的量子化学研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-31G*水平上对Ga_mN (m＝1～9)团簇的几何构型、电子结构、振动频率等性质进行了理论研究. 给出了将Ga_mN团簇中化学键键型和成键数目的多少与团簇的稳定性相结合, 可以较快找到Ga_mN团簇基态结构的一种方法. 通过对基态结构的能量二次差分讨论, 得到m为奇数的Ga_mN团簇比m为偶数的稳定.     

(GaP)n和(GaP)n－ (n＝10～16)团簇的结构与稳定性研究

采用密度泛函理论B3LYP/Lanl2dz方法对(GaP)_n和(GaP)_n^－ (n＝10～16)团簇的一系列异构体的结构和稳定性进行了研究. 讨论了中性团簇得到一个电子之后, 几何结构和电子性质的变化. 频率分析预测出最强吸收峰位于341～390 cm^－1区域. 从能隙、结合能和能量二次差分等方面综合考虑, 具有T_h对称性的(GaP)₁₂和(GaP)₁₂^－分别是中性(GaP)_n和阴离子(GaP)_n^－团簇中最稳定的, 而具有T_d点群结构的(GaP)₁₆也比较稳定, 究竟哪种结构易于合成还有待于实验的进一步证实. 在相同理论水平上计算了基态(GaP)_n (n＝10～16)的绝热电子亲合势(AEAs)及其基态阴离子的垂直电离能(VDEs), 这对以后的实验数据分析将有一定的参考价值.     

用密度泛函和遗传算法研究Cun (n≤20) 团簇的尺寸效应

结合遗传算法和Gupta多体势系统地搜索金属团簇Cu_n (n≤20)的几何结构, 并利用密度泛函方法进一步确定最稳定构型. 分析了平均键长、平均配位数、结合能、二阶差分能、电离势和电子亲和势等性质随着尺寸的变化规律. 发现在Cu₇处团簇最稳定构型从二维结构转向三维结构, Cu_n (n≤20)团簇的幻数为8, 13, 20. 团簇的键长、配位数和结合能属性随着尺寸的增长而递增最终接近相应的体相值; 而二阶差分能、电离势和电子亲和势随着尺寸增加出现奇偶交替, 说明偶数电子形成闭壳层结构, 比相邻团簇更稳定.     

NH4+( (H2O)n(n＝1～9)的量子化学和ABEEM/MM的理论研究

运用量子化学和ABEEM/MM浮动电荷分子力场, 构建描述铵离子-水体系相互作用的精密势能函数, 对 - (H₂O)_n (n＝1～9)簇合物的结构和稳定性等性质进行了研究. 对团簇的结合能和电荷布居分析发现, 当n≤4时, 随着水分子数目的增加, 与水分子间尽可能多地形成线型氢键, 直至水分子在 周围形成完整的第一水合层|当n≥5时, 簇合物以 为中心, 通过氢键网络形成的环状和笼状结构为最稳定. 与第一水合层水分子的相互作用强于水分子之间的相互作用. 结果表明, ABEEM/MM方法的结果与量子化学方法得到的结果有很好的一致性.     

Li和Al掺杂的MgO(001)表面负载W3O9团簇的构型与电子结构

采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的方法, 对W₃O₉团簇在经Li 和Al 原子掺杂的MgO(001)表面的负载构型、稳定性以及体系的电子结构进行了系统研究. 结果表明, 当掺杂发生在表层时, 杂质原子的类型对W₃O₉团簇的负载构型有显著影响. 对于缺电子的Li 掺杂, 负载后W₃O₉团簇环状构型并不稳定, 转化为链状结构; 而Al 原子的掺杂则使得MgO(001)表面电子富余, 此时W₃O₉团簇存在平躺和垂直两种吸附方式, 二者能量稳定性相近, 其中前者存在同时与三个W原子成键的帽氧结构. 当掺杂发生在次表层时, 两种掺杂体系W₃O₉的负载构型相似, 团簇仍保持环状结构并倾向于采用垂直方式沉积在表面上. 与Li 掺杂体系相比, 富电子的Al 掺杂可显著增强W₃O₉与MgO(001)表面之间的结合能力, 负载后有较多电子从表面转移到团簇中特定的W原子上, 这将对W₃O₉团簇的催化性能产生显著影响.     

(AB)8(AB=BN，AlP，GaAs，InSb)团簇环状结构与性质的密度泛函理论研究

用杂化密度泛函B3LYP方法研究了(AB)₈(AB=BN，AlP，GaAs，InSb)团簇环形结构的平衡几何构型、电子结构、振动特性以及极化率。计算结果表明，(AB)₈团簇的双层环状结构中，每个A(B)原子都与3个B(A)原子成键，且Ⅴ族元素的原子比Ⅲ族元素的原子更接近团簇中心，(BN)₈、(AlP)₈、(GaAs)₈、(InSb)₈的平均极化率依次增大，IR和Raman谱峰发生红移。另外，讨论了热力学稳定性和动力学稳定性的变化。     

包含两个平面五配位碳原子C2＋nB10－n (n＝0～10)团簇的结构的理论研究

采用B3LYP/6-311＋G**方法, 我们优化了初始构型中包含两个平面五配位碳原子(ppCs)的C_{2＋nB10－n (n＝0～10)团簇的结构并计算了它们的振动频率. 计算结果表明, C2＋nB10－n (n＝0～2)团簇是稳定的, 而且这三个结构中ppC—B键的Wiberg键级介于0.511～0.909之间, ppC—C键的Wiberg键级为0.2254 (n＝1)和0.8586 (n＝2), ppC的键级介于3.778到3.879之间, 即这三个结构中存在两个ppCs, 而且ppC遵循八隅规则; C2＋nB10－n (n＝3～6)团簇的最稳定结构包含一个ppC; C2＋nB10－n (n＞6)团簇能量最低结构中不存在ppC. 而且只有团簇C2＋nB10－n (n＝0～2)中没有悬键, 它们的(电子数分别为: 6, 7和8, 计算它们的NICS(0)值表明强芳香性一般位于局部的三元环中心, 表明局部离域有利于平面结构的形成. C2＋nB10－n (n＝0～2)团簇的第一垂直激发能分别为: 1.91, 0.56和3.12 eV.}     

硼碳团簇BnC2 (n＝1～6)的理论研究

应用密度泛函理论在B3LYP/6-311＋G(d)水平上研究了硼碳团簇B_nC₂ (n＝1～6)的几何结构、生长机制和相对稳定性. 计算结果表明, 对于n＝2～6的簇, 平面多环状构型为最稳定的结构, 其中C原子分布于环的顶点、有尽可能多的三配位硼原子和尽可能多的B—C键. 碳原子作为杂原子倾向掺杂于团簇的顶点位置, 它的掺杂不改变硼团簇的主体结构. 与平面多环状结构相比, 随着簇尺寸的增大, 三维结构和线性链结构更不稳定. 在低能线性结构中, C原子位于链两侧的第二个位置. 计算的碎片分裂能、递增键能以及HOMO-LUMO能隙表明, B₄C₂为幻数簇.     

AlmN2和AlmN2＋ (m＝1～8)团簇结构与稳定性的量子化学研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-311G*水平上对Al_mN₂和Al_mN₂^＋ (m＝1～8)团簇的几何构型、电子结构、振动频率和分子轨道进行了理论研究. 结果表明, Al_mN₂类团簇的基态结构有两种基本构型, 一种是以N—N键为核心周围与Al原子相配位形成的, 一种是由两个Al_nN (n≤m/2)分子碎片通过共用Al原子或Al—Al键相互结合形成的. 对Al_nN分子碎片相互结合形成结构的绝热电离能讨论得到, m为偶数的团簇比m为奇数的稳定.     

两个含[MS4Cu4]簇核的一维配位聚合物{[MS4Cu4(bpe)2(ani)2I2]·3.5ani}n(M=Mo,W;ani=苯胺)的组装及其晶体结构

前驱团簇[Et₄N]₄[MS₄Cu₄I₆](M=Mo(1a);W(1b))与双齿桥连配体1,2-双(4-吡啶基)乙烷(bpe)在苯胺溶液中反应,生成2个结构相似的一维[MS₄Cu₄]团簇基配位聚合物{[MS₄Cu₄(bpe)₂(ani)₂I₂]·3.5ani}_n(M=Mo(2),W(3);ani=苯胺)。通过元素分析、红外光谱和X-射线单晶衍射对2和3进行了表征。晶体结构分析表明前驱团簇1a和1b中五核马鞍形[MS₄Cu₄]簇核分别在2和3中得以保留,2个桥连配体bpe连接相邻的簇核,在[111]方向延伸形成一维"Z"字形链结构。     

两个含[MS4Cu4]簇核的一维配位聚合物{[MS4Cu4(bpe)2(ani)2I2]·3.5ani}n (M=Mo, W; ani=苯胺)的组装及其晶体结构

前驱团簇[Et₄N]₄[MS₄Cu₄I₆](M=Mo (1a); W (1b))与双齿桥连配体1, 2-双(4-吡啶基)乙烷(bpe)在苯胺溶液中反应, 生成2个结构相似的一维[MS₄Cu₄]团簇基配位聚合物{[MS₄Cu₄(bpe)₂(ani)₂I₂]·3.5ani}_n (M=Mo (2), W (3); ani=苯胺)。通过元素分析、红外光谱和X-射线单晶衍射对2和3进行了表征。晶体结构分析表明前驱团簇1a和1b中五核马鞍形[MS₄Cu₄]簇核分别在2和3中得以保留, 2个桥连配体bpe连接相邻的簇核, 在[111]方向延伸形成一维“Z”字形链结构。     

含二维水网的三维超分子[Ni(phen)2(H2O)2][Ni(PDC)2]•7H2O

在水溶液中合成了离子型配合物[Ni(phen)₂(H₂O)₂][Ni(PDC)₂]•7H₂O (H₂PDC＝吡啶-2,6-二甲酸, phen＝1,10-菲啰啉). 通过元素分析、红外光谱、单晶X射线衍射以及热重分析对配合物进行了表征. 晶体数据解析表明, 化合物属于三斜晶系, 空间群为P1, a＝1.0092(4) nm, b＝1.4599(6) nm, c＝1.4933(5) nm, α＝73.982(2)°, β＝78.652(2)°, γ＝75.184(3)°, V＝2.0256(13) nm³, Z＝2, F(000)＝1004, μ＝1.014 mm^－1, R₁＝0.0538, wR₂＝0.1493. 配合物中的结晶水分子形成一个(H₂O)₁₂水簇, (H₂O)₁₂水簇通过氢键连接为二维水网, 最终构成三维超分子网络.     

TinO2和TinO2-(n=1-10)团簇的几何结构、电子和磁性质

基于密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 研究了Ti_nO₂和Ti_nO₂^- (n=1-10)团簇的几何结构、电子结构以及磁性. 结果表明, 两个氧以分离的原子状态吸附在金属团簇的表面, 呈现出以一个钛原子为中心的O-Ti-O 的相邻吸附形式. 中性团簇和阴离子团簇的能量最低结构相似. 稳定性分析表明Ti_nO₂具有很高的稳定性, 特别是TiO₂和Ti₇O₂. 此外, 详细讨论了团簇的电离势、电子亲和能、电子解离能和能隙. 基于最低能量结构, 讨论了团簇的磁性, 发现电荷从Ti 原子向O原子转移, 并且电荷转移主要发生在Ti_nO₂的Ti-3d、Ti-4s和O-2p轨道. 磁性团簇中反铁磁序占据主导, 磁矩主要来源Ti-3d电子的贡献, 而两个氧原子的贡献非常小.     

配体稳定的二元过渡金属团簇[PdAu8(PR3)8]2＋(R＝Me, OMe, H, F, Cl, CN)的量子化学理论研究

采用从头计算MP2方法和密度泛函理论方法, 对过渡金属团簇[PdAu₈(PR₃)₈]^2＋(R＝Me, OMe, H, F, Cl, CN)的几何结构、电子结构以及团簇各组成部分之间的结合能进行了研究. MP2方法和SVWN局域泛函能够对团簇的结构给予准确的描述, 而离域泛函BP86, PBE, BLYP和杂化泛函B3LYP则过高地估计了团簇的几何结构参数. 电子结构研究表明Pd, Au原子通过 d电子的成键作用构成团簇内核[PdAu₈]^2＋, [PdAu₈]^2＋与PR₃配体则通过“σ给予/π反馈”模式成键. PR₃配体与[PdAu₈]^2＋的结合能够加强Pd-Au之间的成键作用, 增大前线轨道能级间隙, 从而提高团簇的稳定性. PR₃配体中R基团供、吸电能力的变化对[PdAu₈(PR₃)₈]^2＋结构的影响较小, 但对[PdAu₈]^2＋-PR₃结合能的影响较大. 能量分析显示不同PR₃与[PdAu₈]^2＋之间具有相近的轨道作用能, 与R基团供、吸电能力相关的非轨道作用能成为影响两者连接牢固程度的决定因素.     

Aun (n＝2～20)团簇的遗传算法和密度泛函方法研究

在遗传算法和Gupta多体势系统地搜索金属团簇初始结构基础上, 应用密度泛函理论和基于局域密度近似 (LDA)或广义梯度近似(GGA)的超软赝势和投影扩充波(PAW)方法分别系统地研究了金属团簇Au_n (n≤20)的最稳定构型和电子性质. 发现LDA或GGA近似下, 最稳定构型存在一定的差异: LDA方法中, Au团簇最稳定构型从Au₇ 处就发生了从二维结构向三维结构的转化, 而GGA近似下Au₁₃的最稳定异构体仍然保持平面构型. 计算结果表明, 平均最近邻距、平均配位数和结合能随着尺寸的增大呈递增趋势, 而二阶差分能、费米能级、HOMO-LUMO能隙、垂直电离势和电子亲和势出现了明显的奇偶交替现象. 其结果丰富了目前对金团簇的理论和实验的研究.