混合团簇Cu12A(A=Fe、Co、Ni)结构及能量特性的密度泛函研究

以Cu13非紧致低对称性基态结构及四种13原子高对称性(Ih、Oh、D5h、D3h)密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Cu12A (A=Fe、Co、Ni)混合团簇的结构及能量特性.结果表明:Cu12 A(A=Fe、Co)团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,且均倾向于中心位置替代的高对称性结构,而Cu12Ni团簇基态则为与Cu13类似的非紧致低对称性结构;Fe、Co、Ni三者对Cu13基态各不等价位替代结构稳定性序列基本相同,而对四种高对称性结构相应中心替代构型稳定性均高于表面替代构型(且Fe、Co均明显强于Ni);对各混合团簇基态结构均无明显同分异构现象.     

混合团簇Cu11Fe2的的密度泛函研究

以Cu13非紧致低对称性基态结构及四种13原子高对称性（Ih、Oh、D5h、D3h）密堆积结构为初始构型，通过不等价位原子替换，利用密度泛函理论系统研究了Cu11Fe2混合团簇的稳定性及磁性．结果表明：对四种高对称性结构相应中心位替代构型稳定性均高于双表面位替代构型；Cu11Fe2团簇的基态结构为含一个中心位替代和一个表面位替代的Ih替换结构，这与Cu13的基态结构完全不同；Cu11Fe2无明显近基态同分异构现象；相较Cu13团簇、Cu11Fe2团簇的稳定性及磁性均得到增强．     

混合团簇Cu_(11)Fe_2的的密度泛函研究

以Cu13非紧致低对称性基态结构及四种13原子高对称性(Ih、Oh、D5h、D3h)密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Cu11Fe2混合团簇的稳定性及磁性.结果表明:对四种高对称性结构相应中心位替代构型稳定性均高于双表面位替代构型;Cu11Fe2团簇的基态结构为含一个中心位替代和一个表面位替代的Ih替换结构,这与Cu13的基态结构完全不同;Cu11Fe2无明显近基态同分异构现象;相较Cu13团簇、Cu11Fe2团簇的稳定性及磁性均得到增强.     

密度泛函理论研究混合团簇Al12X(X=Sc、Ti、V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的结构和磁性

以四种13原子高对称性(Ih、Oh、D5h、D3h)密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Al12 X(X=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)掺杂团簇的结构及磁性.结果表明:除Al12 Cr和Al12Fe以外,其它Al12X团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,其中前3d元素(X=Sc、Ti、V、Mn)倾向于表面位置替换,而后3d元素(X=Co、Ni、Cu、Zn)则倾向于中心位置替换;Al12 Cr和Al12Fe团簇以Oh结构的表面替换为基态结构;对多数3d元素(X=Ti、V、Cr、Fe、Co、Zn)其掺杂团簇均出现明显的近能同分异构现象;相较纯Al13团簇掺杂团簇普遍体现出磁性增强效应.     

密度泛函理论研究混合团簇Al12X(X=Sc、Ti、V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的结构和磁性

以四种13原子高对称性（Ih、Oh、D5h、D3h）密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Al12X(X=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）掺杂团簇的结构及磁性．结果表明：除Al12Cr和Al12Fe以外,其它Al12X团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,其中前3d元素(X=Sc、Ti、V、Mn)倾向于表面位置替换,而后3d元素(X=Co、Ni、Cu、Zn)则倾向于中心位置替换;Al12Cr和Al12Fe团簇以Oh结构的表面替换为基态结构;对多数3d元素(X=Ti、V、Cr、Fe、Co、Zn)其掺杂团簇均出现明显的近能同分异构现象;相较纯Al13团簇掺杂团簇普遍体现出磁性增强效应．     

中性及带电混合团簇Al12X(X=Li、Na、K、Rb、Cs结构和磁性的密度泛函研究

以四种13原子高对称性(Ih、Oh、D5h、D3h)密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了中性及带电Al12X(X=Li、Na、K、Rb、Cs)混合团簇的结构及磁性.结果表明:带电影响团簇稳定性序列且带正电影响显著强于负电情形;相较负电,对中性Al12X及正电Al12X+团簇基态均出现明显的近能同分异构现象;相较中性团簇,带电各混合团簇化学活性普遍降低;全部混合团簇基态均体现出磁矩最小化效应.     

ConCu(38-n)(n=0～38)团簇基态结构和熔化行为

基于半经验的Gupta多体势采用遗传算法和分子动力学方法并结合模淬火技术,系统研究了ConCu(38-n)(n=0～38)团簇的基态结构与熔化行为．结果表明：除Co7Cu31团簇基态为类Ih结构外,其它ConCu(38-n)混合团簇的基态结构均是在单质Cu38（Co38）的Oh基态结构基础上的畸变;对于混合团簇的基态结构,随Co原子增加均表现出Co原子先占中心后占表面的特征;通过分析基态团簇二阶差分能和混合能表明Co7Cu31和Co14Cu24为幻数结构团簇;ConCu(38-n)混合团簇在熔化过程中均表现出热容曲线无明显宽峰的异常熔化行为;通过对团簇原子等价指数和淬火结构势能分布图对团簇异常熔化行为进行了分析表征,指出在团簇熔化过程中两种动力学稳定结构（类Oh结构与类Ih结构）之间的相互竞争对团簇熔化行为的重要影响．     

利用Gupta势研究ConCu13-n (n=1～12)混合团簇的基态结构和熔化行为

利用Gupta多体相互作用势结合遗传算法和分子动力学方法模拟研究了ConCu13-n (n=0～13)单质及混合团簇的基态结构和熔化行为,结果表明：ConCu13-n (n=1~12)混合团簇的基态结构均是在单质Co13、Cu13基态二十面体基础之上的畸变,Co原子先占据中心后占据表面,表面上的Co原子总连接在一起,抱团分布;分析二级差分能和混合能发现Co1Cu12、Co7Cu6具有相对高的稳定性,可视为幻数结构团簇;ConCu13-n (n=1~12)混合团簇的熔点均位于Co13、Cu13单质团簇的熔点之间,且随着Co原子数目的增多总体呈上升趋势,但在n=3时出现反常（熔点降低）,这可归因于Co3Cu10的基态与第一激发态之间的能量差远小于Co2Cu11的相应值。     

Cu13团簇几何和电子结构的密度泛函研究

利用遗传算法结合Gupta原子间相互作用势,采用密度泛函理论,系统研究了带电 团簇的基态与低激发态的几何结构和电子结构并与中性Cu13团簇进行了对比．计算结果表明：对 Cu13（中性及带电）团簇,高对称性几何构型在众多异构中无能量竞争性优势,团簇基态结构皆为非紧致低对称性结构,对 负电Cu13找到一种新的低对称性最低能结构;带电明显影响团簇结构稳定性,带电Cu13团簇与中性Cu13团簇的结构稳定性序列显著不同;基态 Cu13（中性及带电）团簇的具有磁矩最小化效应,而其高对称性结构则有较大磁矩;计算所得Cu13团簇电离能及电子亲和势与实验结果相符．     

Cu±13团簇几何和电子结构的密度泛函研究

借助遗传算法结合Gupta原子间相互作用势,本文采用密度泛函理论系统研究了带电Cu13±团簇的基态与低激发态的几何结构和电子结构,并与中性Cu13团簇的结果进行了对比.计算结果表明:对Cu13n(n=0,士1)团簇,高对称性几何构型在众多异构中无能量竞争性优势,团簇基态结构皆为非紧致低对称性结构,对Cu13-找到一种新的低对称性最低能结构;带电明显影响团簇结构稳定性,带电Cu13±团簇与中性Cu13团簇的结构稳定性序列显著不同;基态Cu13n (n=0,±1)团簇具有磁矩最小化效应,而其高对称性结构则有较大磁矩;计算所得Cu13团簇电离能及电子亲和势与实验结果相符.     

利用Gupta势研究ConCu13-n (n=1～12)混合团簇的基态结构和熔化行为

利用Gupta多体相互作用势结合遗传算法和分子动力学方法模拟研究了ConCu13-n(n==0～13)单质及混合团簇的基态结构和熔化行为,结果表明:ConCu13-n(n=1～12)混合团簇的基态结构均是在单质Co13、Cu13基态二十面体基础之上的畸变,Co原子先占据中心后占据表面,表面上的Co原子总连接在一起,抱团分布;分析二级差分能和混合能发现Co1Cu12、Co7C6具有相对高的稳定性,可视为幻数结构团簇;ConCu13-n(n=1～12)混合团簇的熔点均位于Co13、Cu12单质团簇的熔点之间,且随着Co原子数目的增多总体呈上升趋势,但在n=3时出现反常(熔点降低),这可归因于Co3Cu10的基态与第一激发态之间的能量差远小于Co2Cu11的相应值.     

Fe-Ni混合团簇基态结构的遗传算法研究

采用半经验的Gupta多体势结合遗传算法对不同组分的FenNim(N=n+m,N=13,38)混合团簇的基态结构和性质进行了模拟研究.结果显示:总原子数为13的混合团簇基态几何构型是基于单质团簇的基态二十面体结构,并且随着Fe原子数的增加表现出Fe原子首先占据中心位置的规律性;对总原子数为38的混合团簇,在轻混合(类掺杂)情形(n≤15,34≤n≤38)下基态几何构型为类似于纯单质团簇基态的截角八面体结构,而在重混合(n=16～33)时基态几何结构表现为不同于单质团簇的类截角二十面体构型;分析二级差分能表明Fe1Ni12、Fe7Ni31及Fe14Ni24具有相对高的稳定性,我们提出了基于有效键数的简化模型以解释此幻数结构序列.     

Fe-Ni混合团簇基态结构的遗传算法研究

采用半经验的Gupta多体势结合遗传算法对不同组分的FenNim(N=n+m, N=13,38)混合团簇的基态结构和性质进行了模拟研究。结果显示：总原子数为13的混合团簇基态几何构型是基于单质团簇的基态二十面体结构,并且随着Fe原子数的增加表现出Fe原子首先占据中心位置的规律性;对总原子数为38的混合团簇,在轻混合（类掺杂）情形（ ）下基态几何构型为类似于纯单质团簇基态的截角八面体结构,而在重混合（n=16-33）时基态几何结构表现为不同于单质团簇的类截角二十面体构型;分析二级差分能表明Fe1Ni12、Fe7Ni31及Fe14Ni24具有相对高的稳定性,我们提出了基于有效键数的简化模型以解释此幻数结构序列     

Fen、Nin(n=2～100)团簇基态结构与能量的模拟淬火算法研究

采用Gupta多体势结合分子动力学模拟退火及淬火方法、分别求解了Fen及Nin(n=2～100)团簇的最低能几何结构及能量. 结果表明：在所研究尺寸范围内除少数团簇的结构不同外，两类团簇具有相似的基态几何结构，在两类团簇结构演化中皆存在类Ih、类Oh、类D5h和Ih&D5h互嵌套类构型之间的竞争；分析团簇二阶差分能和剩余能表明两类团簇共同的幻数序列为：n=13、19、23、38及55，不同处为Ni26及Fe75 也分别为相应体系幻数团簇．对两类团簇分析其平均最近邻原子间距及平均配位数均可给出幻数成因．在所研究团簇尺寸范围内二者平均结合能均表现出随团簇尺寸增大而总体增大的普遍趋势，但Ni团簇的能量演化明显快于Fe团簇，这与实验观测镍团簇磁性演化明显快于铁团簇是完全一致的．     

Y12TM（TM=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）团簇的电子结构与磁性研究

基于第一性原理,在密度泛函理论框架下,用广义梯度近似(GGA)研究了二十面体Y12TM(TM=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)团簇的电子结构和磁性,计算了它们的束缚能(BE)、中心原子到表面原子的间距、最高占据轨道(HOMO)、最低占据轨道(LUMO)及其能隙.研究表明:Y13、Y12Sc、Y12Ti、Y12V、Y12Cr团簇的主体原子和杂质原子呈现出铁磁性作用,而Y12Mn、Y12Fe、Y12Co、Y12Ni、Y12Cu、Y12Zn团簇的主体原子和杂质原子呈现出反铁磁作用.     

Fe、Co、Ni混合团簇磁性的密度泛函研究

基于13原子二十面体结构,采用密度泛函方法系统计算研究了Fe、Co及Ni单质及二元混合团簇的磁性.发现有限温度下团簇磁性随结构畸变的敏感性随Fe、Co、Ni顺序逐渐减弱,同时发现二十面体结构Fe_(13)及Co_(13)均具有不同磁矩的近简并低能态.对FeNi及CoNi混合团簇、其磁矩随组分的变化不存在反常现象,但对于FeCo混合团簇、其磁矩随组分的演化行为存在个别反常现象.我们认为:这种反常现象能够对FeCo非晶合金中的实验观测结果提供一种可能的理论解释.     

遗传算法结合密度泛函理论研究Cu13团簇的几何结构

基于Gupta 多体势采用遗传算法详细计算了金属团簇Cu13的几何结构,对所得到的大量低能（基态及低激发态）结构,利用密度泛函理论方法作进一步优化计算。结果表明：尽管遗传算法所得基于Gupta原子间多体势的基态结构（Ih高对称性的紧致结构）并不对应第一性原理计算结果（非紧致低对称性基态）,但遗传算法给予的大量候选结构经密度泛函理论再次计算仍然可以高效地得到真实基态结构,体现出遗传算法在计算具有非紧致低对称性基态体系时的有效性。     

遗传算法结合密度泛函理论研究Cu13团簇的几何结构

基于Gupta 多体势采用遗传算法详细计算了金属团簇Cu13的几何结构,对所得到的大量低能（基态及低激发态）结构,利用密度泛函理论方法作进一步优化计算。结果表明：尽管遗传算法所得基于Gupta原子间多体势的基态结构（Ih高对称性的紧致结构）并不对应第一性原理计算结果（非紧致低对称性基态）,但遗传算法给予的大量候选结构经密度泛函理论再次计算仍然可以高效地得到真实基态结构,体现出遗传算法在计算具有非紧致低对称性基态体系时的有效性。     

H2在Al12X (X=Al, Ni, Cu)团簇表面解离吸附的第一性原理研究

以Ni和Cu原子中心替换的二十面体Al12X(X=Ni、Cu)团簇为基体、采用密度泛函理论系统计算研究了H原子及H2分子在团簇表面的吸附,并对比了纯Al13团簇对H及H2的吸附,结果表明：相对于纯Al13中H原子的桥位吸附、掺杂团簇Al12X(X=Ni、Cu)中H原子均吸附于团簇顶位;无论是吸附H原子还是H2分子,Al12Ni的几何结构均发生大的畸变;相较H2在纯Al13团簇表面的解离吸附,H2在掺杂团簇Al12X(X=Ni、Cu)表面的解离反应过程中反应能均增大、势垒均降低,这表明掺杂团簇Al12X(X=Ni、Cu)相较纯Al13团簇更有利于H2解离吸附的发生。     

铜钴团簇催化水煤气变换反应的催化活性

水煤气变换反应在质子膜燃料电池中可以除去CO,同时生成H2,因此应用于水煤气变换反应的催化剂受到了广泛的关注。为了研究团簇中掺杂单个原子对催化剂催化活性和反应机理的影响,我们采用密度泛函理论研究了Cu12Co和Cu13催化水煤气变换反应的催化活性和反应机理,其中我们考虑了三种反应机理,包括氧化还原机理、羧酸机理和甲酸基机理。通过对比研究Cu12Co和Cu13,我们发现掺杂团簇Cu12Co的催化活性比Cu13的催化活性好,而且Cu12Co和Cu13催化水煤气变换反应的最优路径都是羧基机理。在此过程中,Cu12Co和Cu13的基态结构均为Ih构型;Cu12Co和Cu13团簇上吸附H2O分子时都是在顶位上的吸附最强,而吸附CO分子最强的位点分别是顶位和洞位;对于氧化还原机理和甲酸基机理,其决速步都是OH* + * → O* + H*,而羧基机理的决速步分别是COOH* + * → CO2* + H* (Cu12Co)和2H* → H2* + * (Cu13)。本文的研究加深了我们对铜钴团簇催化水煤气变换反应的催化行为的理解。