镁锡水滑石中的超分子作用

通过构建镁锡水滑石(Mg3Sn-LDHs-yH2O)周期性计算模型,基于密度泛函理论,用CASTEP程序模块,进行模型的几何全优化.对各体系的结构参数、Mulliken电荷布居、态密度(DOS)、逐级水合能等进行分析,探究客体CO320-和H2O的分布形态及其与主体层板的超分子作用.结果表明,[Mg6Sn2(OH)16]4+层间插入客体阴离子CO320-和水分子后,主客体间存在着较强的超分子作用力,主要包括静电和氢键作用,且氢键作用在水合过程中起主导作用,总体上层板-水(L-W)型/层板-阴离子(L-A)型氢键强度要强于阴离子-水(A-W)型/水-水(W-W)型氢键.随着层间水分子的增多,层间距先增大后又稍降低.当y=0、1时,客体所在的平面与主体层板平行,且与两层板的距离基本相等;当y=2、3时,客体以偏向某一层板的形式存在.与层间H2O相比,层间阴离子CO230-对体系态密度的影响更显著,层板与CO320-的总体作用力大于与H2O的总体作用力.随着水分子数的增加,Mg3Sn-LDHs-yH2O体系的逐级水合能绝对值逐渐降低,说明Mg3Sn-LDHs的水合程度不会无限增加,而是具有饱和量.     

铜锌铝三元水滑石畸变结构和稳定性的理论研究

基于密度泛函理论,用CASTEP程序模块构建水滑石(CuxZn3-xAl-LDHs)周期性计算模型,进行模型的几何全优化,对各体系的结构参数、氢键、Mulliken电荷布居及结合能等进行分析,探讨体系中的Jahn-Teller效应和结构稳定性.计算结果表明,层板中Cu2+与Zn2+交错排列的构型比较稳定.随着层板上Cu2+取代Zn2+的量增多,晶胞对称性变差,但Cu2+的Jahn-Teller效应对中心Al3+的影响较小.CuxZn3-xAl-LDHs(x=0～3)体系中离子键逐渐变强,共价键逐渐变弱,体系整体上由共价型晶体向离子型晶体转变.体系中Jahn-Teller效应导致的畸变使主-客体作用力增强,其中静电作用力减弱,氢键强度变大,且氢键作用占优势.总体上,体系的结合能绝对值逐渐减小,稳定性降低,这对于合成含铜的LDHs材料具有理论指导意义.     

层间水含量对Mg3Al-LDHs-Cl力学特性的影响

构建水滑石(Mg3Al-LDHs-Cl-nH2O)周期性计算模型, 采用密度泛函理论-赝势平面波法的CASTEP/LDA(局域密度近似)程序, 在CA-PZ水平上对模型进行几何全优化和弹性常数计算. 从弹性常数Cij、切变模量、杨氏模量和泊松比等方面研究了层间水分子含量(n)对材料力学性质的影响. 计算结果表明, 层间水分子含量对材料的力学性质有很大的影响. 层间水分子能提高体系总体的抗压性能, 当n=1时, 材料的抗压性能最好; 当n=2时, 材料的抵抗剪切变形的能力最差, 体系最柔软. 层间水分子对材料杨氏模量的影响较大, 对泊松比的影响并不明显. 且层间水分子对材料横向的力学性能起到平均化作用, 最终使材料在x轴和y轴方向上的抗压性能和膨胀率趋于一致.     

层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展

总结了近年来理论计算方法在研究层状双金属氢氧化物(LDHs)结构与功能方面的应用现状. 结合LDHs材料的结构特点, 归纳了量子力学、分子力学、几何建模及物理静电模型相结合对LDHs材料进行结构模拟的思路, 比较了各种方法在LDHs结构模拟上的优势及存在的不足. 量子力学方法能够精确获得水滑石材料的层板构成及作用机制、简单阴离子插层水滑石主客体间的超分子作用实质以及电子性质、反应机理等方面的信息. 与量子力学相比较, 分子力学方法可以快速得到插层水滑石材料的层间阴离子排布及取向、水合膨胀特性及宏观力学性质等. 几何模型和物理静电模型能构建直观、形象的数学模型, 大大简化了计算量,因此能计算接近实际LDHs尺寸的体系, 为推测LDHs结构信息提供了可能性. 随着理论方法和计算机硬件水平的发展, 使得计算机模拟技术逐渐成为获得LDHs材料微观结构参数、电子性质和动力学性质的一种有效手段.     

Pd催化甲醇裂解制氢的反应机理

基于密度泛函理论(DFT), 研究了甲醇在Pd(111)面上首先发生O—H键断裂的反应历程(CH3OH(s)→CH3O(s)+H(s)→CH2O(s)+2H(s)→CHO(s)+3H(s)→CO(s)+4H(s)). 优化了裂解过程中各反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型, 获得了反应路径上各物种的吸附能及各基元反应的活化能数据. 另外, 对甲醇发生C—O键断裂生成CH3(s)和OH(s)的分解过程也进行了模拟计算. 计算结果表明, O—H键的断裂(活化能为103.1 kJ·mol-1)比C—O键的断裂(活化能为249.3 kJ·mol-1)更容易; 甲醇在Pd(111)面上裂解的主要反应历程是: 甲醇首先发生O—H键的断裂, 生成甲氧基中间体(CH3O(s)), 然后甲氧基中间体再逐步脱氢生成CO(s)和H(s). 甲醇发生O—H键断裂的活化能为103.1 kJ·mol-1, 甲氧基上脱氢的活化能为106.7 kJ·mol-1, 两者均有可能是整个裂解反应的速控步骤.     

三种Au(111)催化水煤气变换反应机理的比较

采用密度泛函理论对三种水煤气变换反应(WGSR)机理(氧化还原机理、羧基机理、甲酸基的生成机理)在Au(111)面上的反应历程进行详细讨论.通过对表面吸附物种(H2O、CO、OH、O、H、CO2、COOH、HCOO)的吸附行为进行研究,得到最佳活性吸附中心.对三种机理中的14个基元反应的活化能进行分析,得出WGSR在Au(111)上按照羧基机理和氧化还原机理进行的可能性较大,按照甲酸基的生成机理进行的可能性较小.相比较羧基机理和氧化还原机理,反应更有可能按照羧基机理进行,最佳反应途径为H2O-H→OH+CO→COOH+OH→CO2.     

水滑石限域空间中Cl-与H2O的超分子作用

构建水滑石(LDHs-Cl-yH2O)周期性计算模型, 选用密度泛函理论-赝势平面波法对模型进行几何全优化, 从结构参数、Mulliken电荷布居、态密度(DOS)、能量等角度研究层间Cl-和水分子的分布形态以及与LDHs层板间的超分子作用. 计算结果表明, LDHs-Cl主客体间存在着较强的超分子作用, 主要包括静电和氢键作用. LDHs-Cl层间引入水分子后, 随着水分子数的增加, 层间距逐渐增大后趋于平衡. 水合过程中氢键作用比静电作用更占优势, layer-water型氢键要略强于anoin-water型氢键. 当y=1, 2时, Cl-与水分子所在平面以平行层板的方式存在于LDHs层板间, 并且与两层板的距离基本相等; 当y=3, 4时, Cl-与水分子则以偏向某一层的方式随机地存在于LDHs 层板间. 随着层间水分子增加, LDHs-Cl-yH2O由离子型晶体向分子型晶体转化, LDHs-Cl的水合具有饱和量.     

卡托普利插层锌铝水滑石的超分子结构、热稳定性及缓释性能研究

采用共沉淀及离子交换的方法将高血压类药物卡托普利(Cpl)插入到Zn/Al-NO₃-LDHs层间，借助XRD、FTIR、UV-Vis、TG-DTA和ICP等手段对样品进行表征。结果表明，Cpl阴离子可取代层间的NO₃^-，组装得到晶体结构良好的Cpl-LDHs。XRD结果表明得到的Cpl-LDHs的层间距为1.955～2.053 nm，并与根据PM3半经验分子轨道法优化计算得到的Cpl-三维尺寸进行比较，推测客体Cpl-是沿长轴方向与层板呈一定角度双层倾斜的方式交替排布于层间，与主体层板通过氢键与静电作用形成超分子结构;该超分子结构材料与卡托普利相比，其热稳定性及缓释性能得到较大提高;缓释实验数据符合Higuchi及Korsmeyer-Peppas扩散模型，说明本实验Cpl的释放很好的符合菲克扩散机理。     

含水Mg3Al-LDH-Cl的电子结构与成键特征

建立了Mg₃Al-LDH-Cl-nH₂O (n＝0～2)双层周期性计算模型. 选用密度泛函理论-赝势平面波法CASTEP, 从原子轨道布居、Mulliken电荷布居、态密度(DOS)等方面, 计算研究了含层间水情况下体系的电子结构及成键特征, 并探求了层间水分子含量及水分子的电子屏蔽效应对Mg₃Al-LDH-Cl-nH₂O材料电子结构的影响. 结果表明体系层板上 M—O同时具有共价键与离子键两种特征, 主客体之间以静电作用为主, 而层间客体之间的相互作用以氢键作用为主. 层间H₂O的电子屏蔽作用主要表现为对层间阴离子的影响以及对层板上二价金属阳离子的影响. 主体层板的电价成分和层间域的共价成分均随着水分子数目的增加而增加.     

Cu催化水煤气的变换反应机理

采用密度泛函理论(DFT), 对Cu催化水煤气变换反应三种可能的微观机理进行了理论研究. 在GGA-PW91理论水平下优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型, 并通过频率分析对过渡态进行了验证. 研究结果表明, 甲酸根机理的可能性最小, 羧基机理与氧化还原机理的可能性较大, 且与氧化还原机理相比, 羧基机理因在反应过程中有中间体COOH(s)生成, 且它与OH(s)发生歧化反应仅需越过3.8 kJ·mol-1的活化能垒, 所以反应更易遵循这条路径进行.