冠醚石墨烷对氦气分离性能的理论研究

氦气(He)在众多科学和工业领域中都具有非常广泛的应用, He资源的短缺和需求的不断增长使得He分离具有极其重要的意义.石墨烷合成简单、晶体结构稳定,是一种用于构建气体分离膜的潜在理想二维材料.本文通过第一性原理计算,对四种具有不同尺寸冠醚孔的石墨烷膜(crown ether graphane-n, CG-n,n=3, 4, 5, 6)的He分离性能进行了研究.计算结果表明,四种冠醚石墨烷结构都具有较高的热力学、化学稳定性,并且CG-5和CG-6具有合适的孔径,可用于He的有效筛分.在11种气体分子(He, Ne, Ar, H₂, CO,NO, NO₂, N2, CO₂, SO₂和CH₄)中, He最容易通过CG-n膜,其能垒分别为4.55, 1.05, 0.53和0.01 eV.据我们所知, He通过CG-6的能垒是迄今为止报道的最低值,将可显著地提升He的分离效率.基于阿伦尼乌斯方程的选择性计算结果表明, CG-5在较宽的温度范围内(0—600 K)都表现出优异的He选择性...     

计算化学在正丁醚制备实验教学中的应用*

正丁醚的制备是重要的大学有机化学实验,为提高学生对该实验所涉及的反应机理和关键操作要点的深入了解,采用Gaussian计算软件对正丁醇在酸催化下和无催化剂下的反应体系进行了研究,重点考察了酸催化下反应的主、副反应方向的反应机理。结果表明无催化剂下,正丁醇在常压液相下几乎不能发生反应;在酸催化下,正丁醇发生取代反应生成醚的反应路径是优势反应通道;酸催化下正丁醇的取代和消除反应速率常数均随温度增加而迅速增大,但消除反应的反应速率随温度增加更快,温度超过420 K消除反应将变得很明显,综合考虑,制备正丁醚的反应温度应控制在130~140 ℃之间较为合适。利用计算化学以图、表和动图等形式直观、动态、量化地解释了正丁醇成醚和成烯反应的竞争,该结果有助于更好地控制该反应体系,可用作实验教材的补充内容。     

全无机卤化铅钙钛矿的结构、热力学稳定性和电子性质

有机-无机杂化卤化铅钙钛矿因具有独特的电子和光学特性,已经成为光电领域最有前途的材料。但是,有机-无机钙钛矿材料及器件稳定性差,限制了其实际应用。与杂化钙钛矿相比,全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)显示出更强的热稳定性。全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃具有多个晶型,在不同的温度下呈不同相结构。目前,关于CsPbX₃的结构和物理性质仍存在争议。本文我们针对三个晶相α-,β-和γ-CsPbX₃的结构,热力学稳定性和电子性质进行了全面的理论研究。第一性原理计算表明,从高温α相到低温β相,然后再到γ相的相变伴随着PbX₆八面体的畸变。零温形成能计算表明,γ相最稳定,这与实验中γ相为低温稳定相的结论一致。电子性质计算表明,所有CsPbX₃钙钛矿都表现出直接带隙性质,并且带隙值从α相到β相再到γ相逐渐增加。这是由于相变发生时,Pb-X成键强度逐渐减弱,使价带顶能量降低,进而带隙增加。在所有相中,α相结构中较强的Pb-X相互作用,导致了较强的带边色散,使其具有较小的载流子有效质量。     

绝对硬度的量化探究——介绍一个计算化学实验

介绍了利用Gaussian软件定量研究软硬酸碱中化合物硬度的实验设计,涉及化合物的构型优化和高精度单点能计算。旨在通过本实验,学生能够初步掌握运用量子化学计算绝对硬度的基本步骤,加深对软硬酸碱理论的理解,为今后从事相关科研工作打下基础。     

ANiN(A = Li,Na, Mg,Ca)的结构、热力学、弹性和电子性质的第一性原理研究

三元过渡金属氮化物ANiN (A = Li, Na, Mg, Ca)是潜在的可充放电池的电极材料。物理性质,比如热稳定性、电子能隙以及弹性稳定性等,对于这些材料的电池应用都是非常重要的。本文使用第一原理方法,对比研究了ANiN这些材料的结构、动力学、弹性和电子结构性质。对状态方程和声子谱的计算被用来确定体系的稳定结构。对最稳定结构的弹性常数的计算表明,这些稳定结构都满足 Born-Huang的稳定性判据,意味着它们的弹性稳定性。对体系电子结构的计算表明,LiNiN和CaNiN是半金属（half-metals）,MgNiN是磁性材料,而NaNiN是通常的金属。这些材料的磁学性质都通过Stoner理论进行了解释。最后,电荷密度的计算被用来很好地说明了这些材料中的Ni-N成键的特征,表明成键特点主要是离子性的,但明显地混合了共价性。     

量子化学和统计热力学结合的实验:确定过氧化氢二面角

介绍一个面向高年级本科生的计算化学实验。通过量子化学计算与统计热力学方法相结合,预测了298 K时过氧化氢的二面角,并与实验值进行比较。通过这一应用实例,使学生能够深入理解结构化学和物理化学的相关理论知识,尤其是对统计热力学的本质有一个直观认识,提升学生利用统计热力学处理科学问题的能力。     

一种计算液接电势的新方法*

依据液接电势达稳态时通过边界层的净电荷为零这一思想,提出了一种计算液接电势的新方法。对于3类液接电势的计算,特别是Lewis-Sargent公式与Henderson方程的推导,思路清晰易懂,避免了过往液接电势计算方法存在的一些问题。本文所提出的方法能够为液接电势相关内容的教学提供借鉴。     

基于弹性统计理论的硅橡胶纳米复合材料本构关系的建立

基于考虑了悬垂链的橡胶弹性统计模型,通过引入应变放大因子,建立了硅橡胶纳米复合材料的基于微观机制的本构关系,其中利用硅橡胶分子信息(分子量M、乙烯基含量wt_(Vi)%)、乙烯基反应程度(q)估算获得本构方程中的交联点间链段分子量(Mc),网络链(network strands)体积分数(Φ)等参数,通过拟合确定了与纳米粒子相关的部分参数(初始应变放大因子X_0,极限应变放大因子X_∞,衰减因子z),对掺杂白炭黑的单组分及长短链配合硅橡胶拉伸应力-应变数据进行拟合,在采用相同X_∞,z值情形下,拟合曲线仍能与实测值符合较好(拟合的Adj.R-Square值分别为0.99576、0.99596)。基于微观物理机制的本构关系能够成为联系微观分子结构参数与宏观应力的桥梁,本文工作有望为更有针对性地改进和优化硅橡胶的性能提供依据。     

血管紧张素转换酶与抑制肽结合模式的分子动力学研究

应用分子模拟方法研究了血管紧张素转换酶(Angiotensin-converting enzyme,ACE)C端结构域(C-domain)与两种抑制肽(RIGLF/AHEPVK)的结合机制,预测了两个体系的结合模式,提出在C-domain-RIGLF中His353,Asp377,Asp453,Phe457,His513,Tyr523和Phe527为RIGLF主要结合残基,而在C-domainAHEPVK中Gln281,His353,Ser355,Glu384,Lys511,His513和Tyr523等残基起关键作用.应用结合自由能计算比较了两个体系的结合能力,结果表明,RIGLF和AHEPVK均与C-domain活性位点残基存在较强作用,且AHEPVK对C-domain的结合能力较强,与实验结果一致.     

芴基张力半导体结构和光电性质的理论研究

[4]Cyclo-9, 9-dimethyl-2, 7-fluorenylene ([4]CF) was used as a model compound to explore the steric strain effect on the structures and photoelectrical properties of materials. A series of strained cyclic polyfluorene materials, [n]CFs (n=3-8), was designed. It was found that the strain energy decreased and the energy gap increased as the number of n and ring diameter increased. The ionization potential and electronic affinity tended to increase and decrease as the strain energy decreased at the same number of [n]CFs, respectively. With a balance between hole and electron reorganization energies in the system, these compounds demonstrated great potential as ambipolar materials. It was also found that [n]CFs showed an obvious blue shift in their emission spectra wavelengths (λ_em2) as the strain energy decreased. Steric strain provides a powerful tool for the design of multifunctional semiconductors in organic optoelectronics.