聚合物稳定的金簇合物上卤素吸附质：质谱检测及其对催化的影响

聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)稳定的金簇合物(Au：PVP)的质谱结果表明,来源于合成前驱体的Cl吸附质主要存在于Au34和Au43簇合物上。金簇合物上Cl吸附质的数量不影响其催化有氧苯甲醇氧化性能,表明Cl原子与Au簇合物间存在较弱的键合作用。相反,用Br替代Au34和Au43簇合物上Cl显著抑制了其催化活性,但对其电子结构没有任何影响。这表明, Br原子与金簇合物的键合较强,在空间上堵塞了活性位。因Br吸附质而导致活性显著下降表明, Au34和Au43簇合物对Au：PVP催化活性起主要贡献。     

Au_(19)Pt团簇性质及对肉桂醛选择性加氢机理研究

基于第一性原理密度泛函理论(DFT)方法研究了Pt掺杂的Au_(19)Pt团簇的结构稳定性、热力学稳定性和反应活性.计算得出Au_(19)Pt-V团簇比Au_(19)Pt-S和Au_(19)Pt-E团簇的化学活性更强,而热力学稳定性更低.通过分析吸附能和电荷布居,讨论了肉桂醛(CAL)在3类Au_(19)Pt团簇上的9种吸附构型.计算结果表明,当CAL以C C双键平行吸附于Au_(19)Pt-V团簇的Pt原子上时,其吸附能最大,CAL向团簇转移电子数最多,吸附模型最稳定.在最稳定吸附模型基础上探究了CAL选择性加氢的3类反应(1,2-加成反应、3,4-加成反应和1,4-加成反应)的6条可能机理,通过基元反应的过渡态搜索,由反应热、反应能垒和构型的变化得到,CAL分子在Au_(19)Pt-V团簇上最有可能通过3,4-加成反应中的机理C进行,即活泼H原子优先与C3原子成键形成中间体MS3,另一个H原子与中间体加成形成C4—H键,再经过过渡态TS34而形成最终产物苯丙醛(HCAL).     

金团簇二十面体结构融合过程中其催化活性的演变（英文）

近年来,由有机配体保护的原子精确金属团簇在合成方面已取得了重要进展,其独特的原子结构对一些化学反应产生独特的催化效果.原子精确的团簇催化剂明显不同于纳米颗粒催化剂和单原子催化剂,是一种关联均相和多相的、原子数目确定、尺寸均一、结构精确的新型催化剂.从原子尺度上精确构筑团簇催化剂,探究亚纳米尺度的微观结构对催化性能的影响,为常规催化剂所未能解决的关键科学问题提供解决的机会,为在分子尺度上揭示催化作用机制以及准确关联催化剂结构与催化性能提供新的研究体系,具有重要的科学研究意义.本文设计和使用了三种结构精确的金团簇催化剂,即Au_(25)(PPh_3)_(10)(SC_2H_4Ph)_5Cl_2, Au_(38)(SC_2H_4Ph)_(24)和Au_(25)(SC_2H_4Ph)_(18),分别由二十面体结构的Au_(13)单元通过中心顶点融合、面融合、体相融合形成的(简写为Au_(vf)、Au_(ff)和Au_(bf)),详细研究了这三个金团簇催化剂在二十面体Au_(13)单元的结构融合过程中,其催化活性的演变规律.在催化吡咯烷与O_2反应制备γ-丁内酰胺反应中,金团簇催化剂的催化活性顺序为Au_(bf)Au_(ff)Au_(vf),表明这三个金团簇中Au_(13)单元的结构随着点、面、体的融合,其催化活性随之增加.同时研究发现,对于同一个Au团簇催化剂,其表面硫醇配体的烷基链越短,其催化活性越高,这主要是由于短链硫醇分子的空间位阻较小,吡咯烷分子更容易进入催化剂的金表面,接触到活性位点,进行催化反应.实验表明,三个团簇金原子均带正电荷,正价金物种可能是催化吡咯烷与O_2反应的催化活化物种.研究发现, Au_(bf)团簇表面的活性位数目高于Au_(ff)和Au_(vf)团簇的,因此Au_(bf)的催化活性最高;同时,团簇表面配体的烷基链越短,其表面活性位数目也越多,这也进一步解释了表面硫醇配体的烷基链越短,其相应的金团簇催化剂的催化活性越高的原因.吡咯烷与O_2在金团簇上反应的可能路径为O_2在Au活性位上裂解的O原子和吡咯烷β-H转移至Au活性位的β-H反应脱水后形成亚胺,亚胺经过水解进一步氧化得到产物.这项研究将为在原子层次上调变金属团簇催化剂的结构进而改变其催化性能提供新的思路,对精准设计和构筑高效催化剂具有一定的科学指导意义.     

高热稳定性二氧化硅包覆的Au_(25)纳米簇的制备和催化应用（英文）

具有独特的电子和几何结构,原子精确控制的金纳米簇(2 nm)成为一种新的具有广泛研究和应用前景的纳米催化剂.负载在氧化物表面的金纳米簇通常会在高于300°C时聚集或长大.人们已经通过多种方法成功制备了对于非原子精确控制的热稳定性的金纳米颗粒.主要包括利用金属与载体强相互作用,用可还原的金属氧化物来稳定金纳米颗粒;利用物理阻隔作用使用高比表面积的载体或制备核壳、纳米粒子镶嵌在载体中来稳定金纳米颗粒.对于原子精确控制的金纳米簇,由于其外边包覆着一层配体,将其负载到载体上时要保证配体不被破坏才能保证金纳米簇的结构完整性,负载后通常要除去配体才能使催化活性位曝露出来.目前,高热稳定性(300°C)的金纳米簇的制备方法还较少.由于金与SiO_2相互作用较弱,将超小(2 nm)的金纳米粒子包覆于其中非常困难.因此,本文首先制备了1.3 nm的含有硅酯键的巯基配体(3-巯丙基三甲氧基硅烷)保护的Au_(25)[SC_3H_6Si(OCH_3)_3]_(18),然后将其在刚成核的SiO_2表面与正硅酸四乙酯共水解,得到了既保留了Au_(25)的完整结构,又避免了Au_(25)之间相互水解的Au_(25)(SC_3H_6SiO_3)_(18)@SiO_2纳米材料.漫反射固体紫外-可见光谱证明了Au_(25)在包覆完成后结构的完整性.透射电镜结果表明,Au_(25)纳米簇焙烧至400°C未发生明显聚集长大.对硝基苯酚还原实验结果表明,不同温度处理后的Au_(25)@SiO_2配体在200°C开始脱除,温度高于传统的负载型Au_(25)催化剂,表明Au_(25)是在SiO_2内部而不是在表面,从而使配体不易离去.400°C处理后的Au_(25)@SiO_2对4-硝基苯酚还原表现出最高的反应活性,表明该纳米簇在400°C处理后没有发生明显聚集长大.     

ORR催化剂Ni_m@Pt_1Au_(n-m-1)(n=19,38,55,79;m=1,6,13,19)的密度泛函研究（英文）

燃料电池的阴极反应的反应动力学速率非常慢,限制了燃料电池技术的发展。因此,寻找低成本、高活性的氧还原催化剂具有重要的意义。多元金属核壳团簇表现出优良的氧还原活性。在本文中,以原子个数为19、38、55和79的八面体团簇作催化剂模型,采用密度泛函理论(GGA-PBE-PAW)方法,研究了一系列不同尺寸核壳Ni_m@M_(n-m)(n=19, 38, 55, 79;m=1, 6,13, 19; M=Pt, Pd, Cu, Au, Ag)团簇催化剂的活性规律。优化*O、*OH和*OOH吸附中间体结构,计算了吸附自由能和反应吉布斯自由能,以超电势为催化活性的描述符,研究了单原子Pt嵌入Ni_m@Au_(n-m)团簇的活性规律。结果表明,Ni_6@Pt_1Au_(31)具有最好的ORR活性,并且Ni_1@Pt_1Au_(17)、Ni_6@Pt_1Au_(31)、Ni_(13)@Pt_1Au_(41)、Ni_(19)@Pt_1Au_5表现出比Pt_(38)团簇以及Pt(111)表面更高的催化活性。Bader电荷和态密度分析表面,核壳之间的电荷转移以及单原子Pt嵌入Ni_m@Au_(n-m)表面,改变了吸附位的电子性质,降低了*OH的吸附强度,提高了ORR活性。单原子Pt嵌入Ni_m@Au_(n-m)表面可能是一种合适的多元金属核壳ORR催化剂设计策略。     

金镍二元团簇结构和电子性质的理论研究

在UBP86/LANL2DZ和UBP86/def2-TZVP水平下详细研究了AumNin (m＋n≤6)团簇的几何结构和电子性质. 详细地分析了团簇的结构特征, 平均结合能, 垂直电离势, 垂直电子亲和能, 电荷转移以及成键特征. 所有混合团簇中, 镍原子趋于聚集到一起, 形成最多Ni—Ni键, 金原子分布在镍原子聚集体周围以形成最多Au—Ni键. Ni原子较少团簇的电子性质与纯金团簇类似, 呈现一定奇偶振荡. 混合团簇中存在镍到金原子间的电荷转移. Ni原子较少团簇中, 自旋电子主要定域在Ni原子上, Ni原子较多团簇中, Au原子明显受到自旋极化. 混合团簇的分波态密度表明, AuNi混合团簇对小分子的反应活性要高于纯金团簇.     

氯原子在Ag低指数面上的吸附位和吸附态

应用原子和表面簇合物相互作用的5参数Morse势方法(简称5-MP)对Cl-Ag低指数表面体系进行了研究, 并获得了全部的临界点特性, 如吸附位、吸附几何、结合能、正则振动等. 计算结果表明: 在Ag(100)面上, Cl原子吸附在四重洞位; 在Ag(111)面上, Cl吸附在三重洞位; 尽管第一与第二周期原子在(110)面上的稳定吸附态大都为赝式三重位和长桥位, 但在Ag(110)面上, 四重洞位是氯原子的稳定吸附态. 理论分析结果和实验推测结果符合得很好. 理论结果给出Cl原子在Ag表面的吸附结合能和表面簇合物的粗糙度有关, 结合能从小到大的顺序为(111)＜(100)＜(110).     

配体保护下的Au_(20)团簇吸附和活化CO的理论研究

用密度泛函理论方法计算了CO分子吸附在有机配体聚乙烯吡咯烷酮poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)(PVP)保护下的Au20团簇上的稳定构型的结构和性质。配体PVP通过物理吸附主要作用于Au20团簇的顶点位置。与Au20比较,配体的存在有利于CO的吸附和活化,其根本原因是PVP和CO在Au20表面分别作为供电子和吸电子基团产生的协同效应。中性及阴离子Au20团簇对配体和CO的吸附强度不同,前者对PVP吸附作用较强,后者对CO的吸附和活化作用较强。     

金基二元合金团簇Au_(12)M(M=Cu,Pt,Ni)催化水煤气变换反应的理论研究

利用密度泛函理论(DFT)对Au12M(M=Cu,Pt,Ni)3种合金团簇的结构稳定性、热力学稳定性和反应活性进行研究,并对金基二元合金团簇催化水煤气变换反应(WGSR)的反应机理进行探讨.研究发现,Au12Ni合金团簇的稳定性及电子活性最优.考察了WGSR在金基二元合金团簇上的氧化还原机理和羧基机理,表明Au12Cu合金团簇上WGSR按照氧化还原机理A进行,水解离后产生的OH*会继续解离为O*和H*(*代表吸附物质);Au12Pt及Au12Ni合金团簇上按照氧化还原机理B进行,2个OH*发生歧化反应.比较3种团簇上的最佳反应路径发现,Au12Cu团簇对WGSR表现出较好的催化活性.     

PVP 稳定的纳米 Au 溶胶对葡萄糖液相选择氧化的催化性能

 采用化学还原法制备了聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 稳定的纳米 Au 溶胶, 这种 Au 溶胶在葡萄糖空气氧化制葡萄糖酸反应中具有良好的催化性能. 考察了 PVP 加入量和氯金酸前驱液的浓度对反应活性的影响. 紫外-可见吸收光谱和透射电镜分析结果表明, 含有较小 Au 粒子的 Au 溶胶体系具有较高的催化活性. 当 PVP/Au 质量比为 40, 氯金酸浓度为100 μg/ml 时, 得到稳定的 Au 溶胶体系具有金粒子尺寸小、分布均匀的特点, 对葡萄糖氧化反应活性高, 葡萄糖的转化率达到 54.4%.     

金(Ⅲ)与2, 2''-联吡啶-1, 1''-二氧化物的配合物的合成和性质的研究

合成了金(Ⅲ)与2,2′-联吡啶-1,1′-二氧化物(bipyO_2)形成的三种新化合物:[H(bipyO_2)][AuCl_4]、[Au(bipyO)Cl_2]Cl和[Au(bipyO_2Br_2]Br。用元素分析、摩尔电导、紫外和红外光谱以及综合热分析等方法测定了它们的组成和性质,并对其结构进行了讨论。实验结果表明,三种化合物均为1:1型电解质,化合物(Ⅰ)是bipyO_2与H~+通过氢键形成[H(bipyO_2)]~+阳离子,(Ⅱ)和(Ⅲ)则为bibpyO_2与Au(Ⅲ)直接螯合组成七原子环的混合配体配阳离子[Au(bipyO_2)X_2]~+,X=Cl~-或Br~-。     

CO诱导的FeO(111)/Ru(0001)负载Au原子吸附位和电荷的改变

采用密度泛函理论研究了CO气氛对FeO(111)/Ru(0001)负载Au原子吸附位、电荷及其稳定性的影响. 首先考察了FeO(111)单层薄膜在Ru(0001)表面上的界面结构. 研究发现,表面莫尔超晶胞内的HCP区域有最小的Fe-O层间距(rumpling),且Fe和O原子均与衬底Ru形成化学键. Au原子在FeO/Ru(0001)上最稳定的吸附在HCP区域的Fe-bridge位. 其中,Au原子诱导两个Fe原子从O原子层的下面翻转到其上面,形成两个Au-Fe键,且Au带负电. 当把体系暴露在CO气氛下后,CO能诱导Au原子从原来最稳定的Fe-bridge位转移到其邻近的O-top位,伴随着Au的电荷从负变到正,形成非常稳定的Au⁺-CO羰基物. 结果表明,反应气氛对负载金属催化剂的化学状态及其稳定性的影响很大; 同时也强调了反应条件下催化剂原位表征的重要性.     

Al_2O_3/Au(111)反相催化剂在CO氧化反应中界面作用的理论研究（英文）

氧化物负载的金催化剂具有温和条件下优异的CO催化氧化活性。实验与理论计算表明,金与氧化物两相界面在催化反应过程中具有重要地位。反相催化剂提供了全新的角度以探究界面的重要地位。本文以Au(111)表面负载Al_2O_3团簇为反相催化剂模型,基于密度泛函理论,对催化剂模型的构型、界面性质以及O_2、CO的吸附与氧化进行了理论计算与研究。理论计算表明:电荷的迁移增强了Al_2O_3小团簇在Au(111)表面的附着,在催化剂金表面与氧化铝的两相界面位置,Au原子与Al原子的协同作用使得氧分子易于在界面位置吸附,并因此高度活化。对催化CO氧化反应路径,分别计算了缔合机理和解离机理不同路径,从活化能分析表明缔合机理比解离机理更可能发生。本文的工作揭示了反相催化剂催化CO氧化的活性本质,表明两相界面在金催化CO氧化中具有重要作用。     

沉积-沉淀-微波干燥法制备金属氧化物负载的金簇合物及其在CO氧化和 硫化物氧化反应中的催化性能

采用沉积-沉淀法再辅以微波干燥和焙烧制备了金属氧化物负载的金簇合物和小的金纳米粒子.干燥方法影响了金颗粒尺寸.在炉干燥过程中Au(III)因部分还原而致使Au聚集.相反,在微波干燥下,因快速和加热均一而使Au(III)得以保持,在Al2O3上负载的Au颗粒尺寸小至1.4 nm.该法可用于具有几种不同微波吸收效率的金属氧化物载体,如MnO2,Al2O3和TiO2.这些催化剂在低温CO氧化和硫化物选择有氧氧化反应中的催化活性比常规方法制备的更高.     

Au_n团簇催化水煤气变换反应机理的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了Au10、Au13和Au20三类团簇的稳定性和对水煤气变换(WGSR)反应的催化活性,考察了各物质在Aun团簇上的吸附行为和微观反应机理。结果表明,三类Aun团簇的稳定性顺序为Au10Au13Au20,而Aun团簇中电子离域性及吸附能力大小趋势为Au13Au10Au20。在三类Aun团簇上,水煤气变换反应的控速步骤均为H2O的解离,但其反应机理路径有所不同。Au10团簇上为羧基机理,COOH*中间体直接解离;Au13团簇上为氧化还原机理,两个OH*发生歧化反应;Au20团簇上为羧基机理,COOH*和OH*发生歧化反应。通过对三类团簇上的最佳反应路径进行比较发现,Au13团簇在低温下具有较好的催化活性。     

高热稳定性二氧化硅包覆的Au25纳米簇的制备和催化应用

具有独特的电子和几何结构,原子精确控制的金纳米簇(<2 nm)成为一种新的具有广泛研究和应用前景的纳米催化剂.负载在氧化物表面的金纳米簇通常会在高于300°C时聚集或长大.人们已经通过多种方法成功制备了对于非原子精确控制的热稳定性的金纳米颗粒.主要包括利用金属与载体强相互作用,用可还原的金属氧化物来稳定金纳米颗粒;利用物理阻隔作用使用高比表面积的载体或制备核壳、纳米粒子镶嵌在载体中来稳定金纳米颗粒.对于原子精确控制的金纳米簇,由于其外边包覆着一层配体,将其负载到载体上时要保证配体不被破坏才能保证金纳米簇的结构完整性,负载后通常要除去配体才能使催化活性位曝露出来.目前,高热稳定性(>300°C)的金纳米簇的制备方法还较少.由于金与 SiO2相互作用较弱,将超小(<2 nm)的金纳米粒子包覆于其中非常困难.因此,本文首先制备了1.3 nm的含有硅酯键的巯基配体(3-巯丙基三甲氧基硅烷)保护的 Au25[SC3H6Si(OCH3)3]18,然后将其在刚成核的 SiO2表面与正硅酸四乙酯共水解,得到了既保留了 Au25的完整结构,又避免了 Au25之间相互水解的 Au25(SC3H6SiO3)18@SiO2纳米材料.漫反射固体紫外-可见光谱证明了 Au25在包覆完成后结构的完整性.透射电镜结果表明, Au25纳米簇焙烧至400°C未发生明显聚集长大.对硝基苯酚还原实验结果表明,不同温度处理后的 Au25@SiO2配体在200°C开始脱除,温度高于传统的负载型 Au25催化剂,表明 Au25是在 SiO2内部而不是在表面,从而使配体不易离去.400°C处理后的 Au25@SiO2对4-硝基苯酚还原表现出最高的反应活性,表明该纳米簇在400°C处理后没有发生明显聚集长大.     

沉积-沉淀-微波干燥法制备金属氧化物负载的金簇合物及其在CO氧化和硫化物氧化反应中的催化性能（英文）

采用沉积-沉淀法再辅以微波干燥和焙烧制备了金属氧化物负载的金簇合物和小的金纳米粒子.干燥方法影响了金颗粒尺寸.在炉干燥过程中Au(Ⅲ)因部分还原而致使Au聚集.相反,在微波干燥下,因快速和加热均一而使Au(Ⅲ)得以保持,在Al_2O_3上负载的Au颗粒尺寸小至1.4 nm.该法可用于具有几种不同微波吸收效率的金属氧化物载体,如Mn O2,Al_2O_3和TiO_2.这些催化剂在低温CO氧化和硫化物选择有氧氧化反应中的催化活性比常规方法制备的更高.     

MgO缺陷和不规则表面吸附Cl2的电子结构研究

采用从头算程序对MgO表面 3种不同配位位置吸附Cl2 的构型进行优化 ,并用扩展休克尔紧束缚 (EHT)晶体轨道方法对MgO的缺陷和不规则表面吸附Cl2的可能构型进行能带计算 ,讨论了吸附前后能带组成和成键性质的变化。研究表明 :MgO表面吸附Cl2 将更趋向于吸附在O原子上而非Mg原子上 ,而且在 3种配位中MgO表面三配位氧最有利于吸附Cl2 ;吸附时 ,电子从O原子转移到Cl2 分子的反键轨道 ,但是各种吸附构型的MgO表面对Cl2 的吸附作用均比较微弱 ,是典型的物理吸附。     

O与O2在Au团簇上吸附的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的Dmol³程序系统研究了O原子与O₂在 Au₁₉与Au₂₀团簇上的吸附反应行为. 结果表明: O在Au₁₉团簇顶端洞位上的吸附较Au₂₀强; 在侧桥位吸附强度相近. O与O₂在带负电Au团簇上吸附较强, 在正电团簇吸附较弱. 从O―O键长看, 当金团簇带负电时, O―O键长较长, 中性团簇次之, 正电团簇中O―O键长较短, 因而O₂活化程度依次减弱. 电荷布居分析表明, Au团簇带负电时, O与O₂得电子数较中性团簇多, 而团簇带正电时, 得电子数较少. 差分电荷密度(CDD)表明, O₂与Au团簇作用时, 金团簇失电子, O₂的π^*轨道得电子, 使O―O键活化. O₂在Au₁₉^-团簇上解离反应活化能为1.33 eV, 较中性团簇低0.53 eV; 而在Au₁₉⁺上活化能为2.27 eV, 较中性团簇高0.41 eV, 这与O₂在不同电性Au₁₉团簇O―O键活化规律相一致.     

噻吩在Au_(13)和Pt_(13)团簇上加氢脱硫的反应机理比较

采用密度泛函理论研究了噻吩在立方正八面体的M_(13)(M=Au、Pt)团簇上的吸附和加氢脱硫行为。结果表明,噻吩以环吸附于Au_(13)上的Hol-tri位或Pt_(13)上的Hol-quadr位时最稳定,且Pt_(13)上的吸附稳定性更高。在M_(13)催化体系中,按间接加氢脱硫机理,反应可能依顺式加氢的方式进行;其中,C-S键断裂开环所需的活化能最高,是反应的限速步骤;按直接加氢脱硫机理,HS加氢所需活化能最高,是反应的限速步骤。同时该机理总体所需活化能较间接加氢脱硫机理更低,是更为合理的脱硫机理。噻吩加氢脱硫过程中,Au_(13)体系为放热反应,而Pt_(13)体系为吸热反应,并且Au_(13)体系加氢所需活化能更低;因此,Au_(13)更有利于噻吩加氢脱硫反应的进行。