石墨炔类结构储锂性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法, 研究了石墨炔类结构的储锂性能, 结果表明, 石墨炔类体系是一种理想的储锂材料, 锂原子通过向衬底转移电荷而带正电, 彼此之间的库仑排斥作用避免了锂原子的团簇化. 通过比较石墨一炔到石墨五炔的储锂性能, 发现并不是炔键越多其储锂性能就越好, 还需考虑炔键的增多对结构稳定性的影响. 在保证石墨炔类结构稳定的前提下, 石墨二炔和石墨五炔达到LiC₃的最大储锂量.     

石墨炔对乙烷、乙烯和乙炔分离性能的分子模拟

乙烯作为重要的化工原料,在传统蒸汽裂解生产乙烯的过程中,会产生乙炔、乙烷等副产物,如何有效地将这三种烃类气体分离至关重要.本文基于密度泛函理论系统探究了石墨炔膜对三种气体的吸附、选择和渗透性能,并结合吸附作用分析和约化密度梯度分析,探索了三种气体分子穿透过石墨炔膜的相互作用类型、强度以及作用区域,并给出了分离性能的量子...     

最优化“调控”区间分离密度泛函理论的研究进展

发展精确、高效的交换-关联泛函一直是密度泛函理论工作者所追求的神圣目标。传统密度泛函被证实在计算原子或分子体系的某些基态和激发态性能时存在困难,而且预测不具有普适性;另一方面,一些高水平方法如耦合簇（CC）理论和基于格林函数（G）和屏蔽库仑作用（W）近似的多体微扰理论（MBPT）,尽管相对精确但往往需要消耗昂贵的计算成本,因而其研究体系的尺寸和实用性受到了很大的限制。近年来,“最优化”调控区间分离泛函的发展在一定程度上使得上述问题得到改善,尤其是在消耗较少的计算成本前提下能够达到与高水平方法相媲美的预测精度,引起了越来越多的关注。本文首先简要回顾了密度泛函领域的理论背景,在区间分离密度泛函理论的基础上,重点介绍了最优化“调控”的概念;并且结合近期的理论工作对其在实际计算时的表现进行评价;最后,就最优化“调控”方法的前景和应用进行了展望。     

石墨炔原子催化剂的崭新道路:基于自验证机器学习方法的筛选策略

近年来, 原子催化剂(ACs)引起了广泛的研究关注. 目前该领域的长足发展受限于贵金属的使用和单原子催化剂(SACs)的性能有限. 本文总结了利用密度泛函理论(DFT)和机器学习(ML)方法筛选高效的基于石墨炔(GDY)的原子催化剂的工作. 研究表明, Pd, Co, Pt和Hg可以形成稳定的零价过渡金属-石墨炔组合(TM-GDY), 而镧系-过渡金属的双原子催化剂(Ln-TM DAC)组合通过f-d轨道耦合作用可以获得有效的催化性能提升. 进一步分析表明, 主族元素与过渡金属和镧系金属的结合可以通过p轨道耦合保持高电活性, 从而构成高度稳定的GDY-DAC系统, 机器学习算法也揭示了s,p轨道的作用. 此外, 理论算法技术在筛选催化水分解析氢反应(HER)的高效组合上也表现出了优越性, 创新性地预测了石墨炔-原子催化剂在实际催化反应中的潜能. 本综合评述可为未来设计新型原子催化剂提供新的思路与策略.     

铜催化内炔的硅羧基化反应机理及区域选择性的密度泛函理论研究

用CO₂作为原料,在过渡金属催化下生成新的碳碳键是很重要的.在这类反应中,杂原子官能团和CO₂同时与不饱和的底物被催化生成高功能化的羧酸衍生物已经越来越受到人们的关注.本文采用密度泛函理论(DFT)方法,研究了金属铜催化剂催化内炔的硅羧基化反应机理.根据炔烃上甲基和苯环两个取代基的相对位置,提出了两条反应路径(path I:甲基和path II:苯环).计算结果表明炔烃插入Cu－Si键既是速率决速步骤也是区域选择决速步骤.在path I中,炔烃插入Cu－Si键的自由能为112.8 kJ·mol^-1,而在path II中为127.6kJ·mol^-1.显然, path I比path II在动力学上更有利,这与实验上两条路径对应产物的产率97: 3是一致的.分析表明区域选择性是由炔烃取代基甲基和苯环的电子效应决定的.     

黄酮类化合物的密度泛函理论研究

在混合密度泛函B3LYP理论下,用6-31G*基函数研究了几种典型黄酮类化合物分子的几何结构、电子结构和分子的静电势,讨论了电子结构和分子活性部位的关系.     

ZnS薄膜原子层沉积机理的密度泛函理论研究

使用密度泛函方法研究了以二乙基锌(DEZn)和H2S作为前驱体在硅表面原子层沉积ZnS的初始反应机理.ZnS薄膜的原子层沉积包括2个连续的"半反应":即DEZn与H2S"半反应".研究显示:DEZn与H2S"半反应"都经历了一个C2H6消去过程.通过对比在单硫氢基及双硫氢基硅表面上的反应,发现邻位硫氢基的存在有利于前驱体分子的吸附并能够降低反应活化能,这意味着双硫氢基硅表面上的反应是能量上更有利的反应.另外,也发现DEZn"半反应"比H2S"半反应"更容易进行.     

高分子结构与性能研究的密度泛函理论方法

随着高分子科学的发展,高分子的性质需要更多的理论给予解释。本文介绍了目前正在形成的密度泛函理论方法及其在高分子结构和性能研究中的应用。由于该理论处于初始阶段,有许多问题尚待研究。     

高效催化氧还原及氧析出反应的掺杂石墨炔的设计与理论计算

在清洁和可再生能源的转化过程中, 氧还原反应和氧析出反应需要高效的电催化剂以克服其动力学限制. 本文设计了一系列掺杂杂原子的无金属石墨二炔, 以促进上述两类关键化学反应.为了评估电催化性能, 利用密度泛函理论研究了反应路径和吉布斯自由能变化. 计算结果表明, 掺杂剂可以优化中间体的吸附, 降低反应的过电位. 本文还得到了将催化剂性质与催化剂结构相关联的内在描述符, 该描述符可以加速开发和筛选新型电催化剂. 研究结果可为清洁能源技术(如燃料电池、 金属空气电池和电解水等)中碳基催化剂的设计提供指导.     

石墨二炔及其电子转移增强特性

石墨二炔是由sp和sp²杂化的碳原子构成的新的碳同素异形体。由于石墨二炔具有独特的拓扑结构和电子结构、较高的电荷迁移率及优异的电子传输性能,使其与其他材料相互作用,可表现出独特的电子转移增强特性。本文基于石墨二炔的电子转移增强特性,概述了石墨二炔及其电子转移增强特性的最新研究进展,包括金属氧化物/石墨二炔、金属纳米颗粒/石墨二炔、聚合物/石墨二炔以及染料分子/石墨二炔等多种石墨二炔基材料。本文从理论和实验研究两个方面详细阐述了石墨二炔的电子转移增强特性、石墨二炔与不同材料的相互作用以及相关的应用。希望该综述能对石墨炔化学的发展起到一定的积极作用。     

Density Functional Theory Calculations on Ni-Ligand Bond Dissociation Enthalpies

The formation and breaking of Ni-L (L=N-heterocyclic carbene, tertiary phosphine etc.) bond is involved in many Ni-catalyzed/mediated reactions. The accurate prediction of Ni-L bond dissociation enthalpies (BDEs) is potentially important to understand these Ni-complex involving reactions. We assess the accuracy of diffierent DFT functionals (such as B3LYP, M06, MPWB1K, etc.) and diffierent basis sets, including both effective core potentials for Ni and the all electron basis sets for all other atoms in predicting the Ni-L BDE values reported recently by Nolan et al. [J. Am. Chem. Soc. 125, 10490 (2003) and Organometallics 27, 3181 (2008)]. It is found that the MPWB1K/LanL2DZ:6-31+G(d,p)//MPWB1K/LanL2DZ:6-31G(d) method gives the best correlations with the experimental results. Meanwhile, the solvent effect calculations (with CPCM, PCM, and SMD models) indicate that both CPCM and PCM perform well.     

Vibrational Spectra and Density Functional Theory Calculations of Metallotriphenylcorroles

The infrared absorption and Raman scattering spectra were measured for the metallotriph-enylcorroles (MTPCs, M=Cu, Co, Ni, Mn). The ground-state structures and vibrational spectra of MTPCs have been calculated with the density functional theory. The observedRaman and IR bands have been assigned based on the calculation results. Due to the symmetry lowering, the vibrational spectra of MTPCs are much more complex than metal-loporphyrins, and several skeletal modes are found strongly coupled to the phenyl vibrations.The relationship between the Raman/IR frequencies and the structures of TPC ring is in-vestigated. It is found that the vibrations involving the C^I_αC^I_α stretch and C_αC_mstretch are sensitive to the size of corrole core. In particular, the frequency of υ₅, which is assigned to C^I_αC^I_α stretch in coupling with the C_αC_m symmetric stretch, increases linearly with the decrease of the corrole core-sizes and may be used as a mark band to evaluate the structural change of the metallocorroles.     

6-硫代黄嘌呤互变异构体的密度泛函理论计算

在密度泛函B3LYP/6-311G**水平下,对14种气相和水相中可能存在的6-硫代黄嘌呤异构体进行了几何构型的全自由度优化,并计算出它们的总能量、焓、熵、吉布斯自由能。Onsager反应场溶剂模型用于水相的计算.计算结果表明,6-硫代黄嘌呤在气相中和水相中主要以硫酮的形式存在.在气相和水相中,硫酮-N7(H)均比硫酮-N9(H)更稳定.计算结果同已有实验结果一致.6-硫代黄嘌呤异构化的熵效应小,对互变异构平衡几乎没有显著的影响,而焓变对互变异构产生了主要的影响.较详细地讨论了水溶剂化作用对异构体的能量、几何结构、电荷分布和偶极矩的影响.     

氯化亚铜在活性炭载体表面单层分散的密度泛函理论计算

 应用量子化学计算方法研究了活性炭载体表面CuCl活性组分的单层分散行为. 以C16H10,C13H9和C12H12原子簇模型模拟活性炭表面,用密度泛函理论中的B3LYP方法计算得到了CuCl在活性炭表面分散的活性位、稳定构型、相互作用能以及单层分散阈值. 结果表明,CuCl以铜端垂直附着在活性炭表面的顶位和桥位上,相互作用能为76.84～80.79 kJ/mol,单层分散阈值为0.471 g/g. 而XRD测得的单层分散阈值为0.467 g/g,与量子化学计算的结果一致; 按照密置单层模型计算得出的单层分散阈值为0.941 g/g,远大于实验测定结果. 因此,应用量子化学计算方法可以得到活性炭表面活性组分单层分散的丰富信息,并能确定活性组分的单层分散阈值.     

并五苯分子电荷注入导致自旋极化的密度泛函理论研究

用密度泛函理论研究了不带自旋的空穴注入并五苯后体系的自旋相关特性. 电荷注入后并五苯分子中存在自发自旋极化行为. 当注入电荷量达一定程度,分子磁矩随注入电荷量的增加呈线性增长,最大磁矩可达1μB. 注入电荷和并五苯分子的相互作用导致分子体系结构发生变化,同时电荷密度分布及自旋密度分布也发生了变化. 注入电荷先填充自旋劈裂的碳原子pz轨道.     

2-硫代黄嘌呤互变异构体的密度泛函理论计算

在密度泛函B3LYP/6-311G**水平上,对14种气相和水相中可能存在的2-硫代黄嘌呤互变异构体进行了几何构型全自由度优化,并计算出它们的总能量、焓、熵、吉布斯自由能.Onsager反应场溶剂模型用于水相的计算.计算结果表明,2-硫代黄嘌呤在气相和水相中主要以酮式结构形式存在,与已有实验结果一致.在气相和水相中,酮式结构—N(7)(H)均比酮式结构—N(9)(H)更稳定.2-硫代黄嘌呤互变异构的熵效应小,对互变异构平衡没有显著的影响,而焓变对互变异构却产生了主要的影响.水溶剂化自由能与异构体的气相偶极矩存在相关性.另外,较详细地考察了2-硫代黄嘌呤与6-硫代黄嘌呤的相对稳定性.     

Vibrational Spectra and Density Functional Theory Calculations of Metallo-tetra-(tert-butyl)-tetra-azaporphyrines

The infrared absorption and 514.5 nm excited Raman spectra were measured for the metallo-tetra-(tert-butyl)-tetraazaporphyrin (MT(tBu)TAP, M=Cu, Co, Ni, Zn). The ground-state structures and vibrational spectra of MT(tBu)TAPs have been calculated at the B3LYP level of theory. The observed Raman and IR bands have been assigned based on the calculation results and by comparing with the normal metalloporphyrins. The relationship between the Raman/IR frequencies and the structures of TAP ring was investigated. The results show that the frequencies of C_βC_β′ stretch (A_g), asymmetric C_αN_m stretch (A_g), and symmetric C_αN_m stretch (B_g) modes increase linearly with the decrease of the core-sizes of TAP ring.Among the three modes, the later two are more sensitive to the core-size change.     

Modeling Photovoltaic Performances of BTBPD-PC61BM System via Density Functional Theory Calculations

Designing and fabricating high-performance photovoltaic devices have remained a major challenge in organic solar cell technologies.In this work,the photovoltaic performances of BTBPD-PC₆₁BM system were theoretically investigated by means of density functional theory calculations coupled with the Marcus charge transfer model in order to seek novel photovoltaic systems.Moreover,the hole-transfer properties of BTBPD thin-film were also studied by an amorphous cell with 100 BTBPD molecules.Results revealed that the BTBPDPC₆₁BM system possessed a middle-sized open-circuit voltage of 0.70 V,large short-circuit current density of 16.874 mA/cm²,large fill factor of 0.846,and high power conversion efficiency of 10%.With the Marcus model,the charge-dissociation rate constant was predicted to be as fast as 3.079×10¹³ s^-1 in the BTBPD-PC₆₁BM interface,which was as 3-5 orders of magnitude large as the decay (radiative and non-radiative) rate constant (10⁸-10¹⁰ s^-1),indicating very high charge-dissociation efficiency (～100%) in the BTBPD-PC₆₁BM system.Furthermore,by the molecular dynamics simulation,the hole mobility for BTBPD thin-film was predicted to be as high as 3.970×10^-3 cm²V^-1s^-1,which can be attributed to its tight packing in solid state.     

一种C50Cl10富勒烯氯化物新的生成机理的密度泛函理论计算

过去广泛接受#271C50Cl10是由#271C50空笼直接氯化得到.我们通过研究拓扑结构弄清了C50富勒烯之间的相互关系.利用密度泛函理论(DFT)计算从最稳定 C50富勒烯#270C50出发,通过氯化和 Stone-Wales (SW)转变获得#271C50Cl10.结果表明：氯化后最终产物是热力学最有利的,并且在有氯存在下, SW 转变的活化能垒会降低.这些结果可以解释目前的相关实验事实,暗示了#270C50空笼先氯化得到不同#270C50氯化物,再进行两次SW旋转的路径,由于活化能垒更低因而是一条更为可行的路线.     

密度泛函理论下的电负性均衡及应用

以密度泛函理论为框架,综述电负性和电负性均衡理论的发展及其在探讨各种分子性质时的应用。