含BF配体的锇羰基化合物Os(BF)(CO)_n(n=4,3)和Os_2(BF)_2(CO)_n(n=7,6,5,4)稳定性的理论研究

采用MPW1PW91和BP86 2种密度泛函方法对中性单核锇羰基化合物Os(BF)(CO)n(n=4,3)及双核锇羰基化合物Os2(BF)2(CO)n(n=7,6,5,4)进行理论计算研究,优化得到22个低能异构体.研究发现,单核配位饱和Os(BF)(CO)4的能量最低的异构体对称性为C2v,其BF基团在三角双锥赤道面上.该异构体失去1个赤道面上的CO可得到Os(BF)(CO)3的能量最低异构体.单核Os(BF)(CO)n(n=4,3)的能量最低异构体的BF基团都位于配体三角双锥及缺顶点结构的赤道面上.配位饱和双核Os2(BF)2(CO)7有4个能量接近的异构体,其中能量最低的异构体结构中含有2个呈蝶形的桥配位BF基团.配位不饱和的Os2(BF)2(CO)6的2个能量接近的异构体结构相似,2个桥配位BF基团与2个Os原子构成平行四边形结构单元.配位不饱和的Os2(BF)2(CO)5和Os2(BF)2(CO)4的能量最低异构体都含有由2个桥配位BF基团与2个Os原子构成的平行四边形结构单元.双核Os2(BF)2(CO)n(n=7,6,5,4)能量最低异构体的BF基团都以桥配位形式和Os原子相连.离解能研究表明,单核配位饱和的Os(BF)(CO)4具有一定的热力学稳定性.双核的Os2(BF)2(CO)n(n=7,6)失去1个CO或者分裂为单核的Os(BF)(CO)4或Os(BF)(CO)3所需能量较高,表明其具有一定的热力学稳定性.     

单、双核钌羰基化合物Ru（CO）n（n=5，4，3）和Ru2（CO）n（n=9，8）的理论研究

采用两种密度泛函方法对中性单核Ru（CO）n（n=5,4,3）和双核Ru2（CO）n（n=9,8）化合物进行理论计算,优化出16个稳定异构体．研究发现,和Os（CO）5类似,Ru（CO）5存在两个能量接近的最低异构体．Ru（CO）4的能量最低异构体为C2v对称性的单态构型．Ru（CO）3能量最低异构体为G对称性的单态构型．Ru2（c0）。的两个能量接近的最低异构体分别含有单个桥羰基和3个桥羰基．双核不饱和Ru2（CO）8的能量最低异构体为含有两个桥羰基的单态Q构型．通过比较M2（CO）n（M=Fe,Ru,Os;n=9,8）的能量最低构型,发现Fe和Ru倾向于形成含有多个桥配位羰基的构型,而Os则更倾向于形成不含桥配位羰基的构型．对离解能的研究表明,和失去一个羰基生成Ru2（CO）8相比,Ru2（CO）9更容易离解为Ru（CO）5和Ru（CO）4．     

BO基杂配位铁羰基化合物Fe_2(BO)_2(CO)_n(n=9,5)的配位特性研究

含硼的双原子配体(如BO、BF等)稳定性差,有关BO基配位取代金属羰基化合物的实验研究和理论研究均较少,对配位过饱和及高度不饱和过渡金属配位体系的配位研究还鲜见报道.本文采用两种密度泛函方法 B3LYP和BP86对BO基杂配位的过饱和及高度不饱和铁羰基化合物Fe2(BO)2(CO)n(n=9,5)的配位特性进行了研究.研究结果表明,在配位过饱和Fe2(BO)2(CO)9中,两个Fe原子间距较大,没有明显直接成键作用.其低能构型都是桥连结构且更倾向于CO桥而不是BO桥,BO基多以端配位的形式出现;由于其体系配位过饱和的特征,优化的低能构型中出现了BO基耦合于端位CO基的配位结构29-6S和29-8S.在配位高度不饱和Fe2(BO)2(CO)5体系中,所有低能构型也都是桥连结构但倾向于BO桥而不是CO桥,显现BO基中氧原子的碱性比CO基中氧原子的碱性更强;由于其配位高度不饱和,构型25-1S、25-4T和25-5T中存在两个3-电子给体桥?2-μ-BO配位;25-2T、25-3T和25-6T中存在两个"首尾相连"的3-电子给体"–B–O–"桥;结构25-1T中出现了由两个BO配体耦合形成的4-电子给体反式双硼双氧(B2O2)配体.无论从单羰基离解能还是单核离解能来看,Fe2(BO)2(CO)5的热力学稳定性都远比Fe2(BO)2(CO)9高,可望是一个潜在的合成目标.     

含BF配体的三核锇羰基化合物Os_3(BF)_3(CO)_n(n=9,8,7)稳定性的理论研究

采用MPW1PW91和BP862种密度泛函方法对中性三核Os_3(BF)_3(CO)_n(n=9,8,7)化合物进行理论计算研究,优化得到20个低能异构体.研究发现,8个配位饱和的Os_3(BF)_3(CO)_9具有4个能量接近的最低能量异构体,其中能量最低的异构体为D_(3h)对称性,其边桥配位的BF基团在3个Os原子构成的平面上.配位不饱和的Os_3(BF)_3(CO)_8的6个异构体中,以含有2个面桥配位形式BF基团的异构体能量最低,而由配位饱和Os_3(BF)_3(CO)_9的能量最低异构体失去1个CO后得到C2v对称性异构体的能量较之稍高约19k J/mol.计算得到的6个配位不饱和Os_3(BF)_3(CO)_7的异构体中有2个能量接近的最低能量异构体.能量最低的异构体含有3个边桥配位形式的BF基团.研究发现,含有面桥配位形式的CO基团的异构体比含有面桥配位形式BF基团的异构体能量更高.离解能研究表明,Os_3(BF)_3(CO)_n(n=9,8)失去1个CO和分别分裂为单核的Os(BF)(CO)_4或Os(BF)(CO)_3及相应的双核Os_2(BF)_2(CO)_n(n=6,5)所需能量较高,表明这2类化合物具有一定的热力学稳定性.频率分析表明,与边桥配位形式的BF基团相比,面桥配位形式的BF基团的νBF更低,与CO基团相比,BF与过渡金属原子形成的σ配键较弱而π反馈键则较强.     

(Cl2AlNH2)n和(H2AlNH2)n(n=1～5)簇结构及其热力学性质

用HF自洽场理论和密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6 31G水平上研究了低聚物(Cl2AlNH2)n和(H2AlNH2)n(n=1～5)簇的几何构型、电子结构和聚合反应热力学性质,比较了两个系列化合物中化学键的强度.结果表明,Cl2AlNH2和H2AlNH2分子为C2 (EC)平面型结构,其中Al－N为由一个σ键和一个键组成的双键.(Cl2AlNH2)n和(H2AlNH2)n(n=1～5)分子为Dnh对称,Al－N是典型的σ单键 .低聚物(Cl2AlNH2)n和(H2AlNH2)n的稳定性顺序分别为: 3 > 2 > 4> 5 > 1和8 > 7 > 9 > 11 > 6.     

羰基硼化合物(BCO)n(n==1～12)的理论研究

运用HF/3-21G方法和密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-31G*方法, 对羰基硼化合物(BCO)n(n=1~12)的各种可能结构进行了优化, 对在B3LYP/6-31G*水平上得到的几何构型、电子态、结合能、振动频率、核独立化学位移(NICS)、能量二次差分和热力学性质进行了理论研究, 得到了(BCO)n(n=1~12)结构的稳定性信息. 十二种基态结构都是端配位(μ1-CO), (BCO)n(n=1~3, 5, 6) 的基态是线型或平面结构, (BCO)n(n=4, 7~12)的基态是笼状结构; B—C平均键能呈现奇偶交替现象, 偶数的结构比奇数稳定; 能量二次差分得到同样的结论；羰基的振动频率与实验值非常吻合; 热力学性质的研究对实验具有重要的指导意义.     

一种混合价态钌配合物的合成、晶体结构和电化学性质

[Ru6(μ-O2CCH3)12(CH3OH)2(HCOO)2][Ru2(μ-O2CCH3)4(H2O)2](PF6)2.2H2O(Ru2(Ⅱ,Ⅲ)混合价)是通过二步反应合成的。首先Ru2(O2CCH3)4Cl在加热条件下与甲醇反应得到红棕色中间物,然后将该中间物在甲醇水(体积比7∶1)溶液中用Ag2SO4和NH4PF6进行脱氯配位反应得到此化合物。用元素分析、红外光谱、热重分析、循环伏安、X-衍射单晶结构分析等对其进行了表征。晶体结构表明,标题化合物的晶体属单斜晶系,空间群为P21/n,晶胞参数:a=0.85362(14)nm,b=1.19589(19)nm,c=3.6642(6)nm,β=92.316(3)°,Z=2,每个结构基元包含2个不同的配离子,其中[Ru2(μ-O2CCH3)4(H2O)2]+是1个双核钌配离子,[Ru6(μ-O2CCH3)12(CH3OH)2(HCOO)2]+是由另1个由甲醇配位、甲酸根桥连的六核钌配离子。2个独立的结构单元通过氢键形成三维超分子网络结构。采用循环伏安法对其电化学性质进行了表征,结果为一对准可逆的氧化还原峰,表明该配合物的中心金属二价钌原子Ru(Ⅱ)与三价钌原子Ru(Ⅲ)之间存在电子转移。     

三态不饱和三核钌羰基化合物的理论研究

采用两种密度泛函方法和两种有效核势基组对中性不饱和三核钌羰基化合物Ru3(CO)n(n=11,10,9)的三态异构体进行理论计算,优化出8个稳定异构体.研究发现,三态异构体中带有多个非端羰基的异构体能量较低.对同一分子的三态异构体,所含非端羰基数目越多,则能量也越低.     

(Cl_2AlNH_2)_n和(H_2AlNH_2)_n(n=1～ 5)簇结构及其热力学性质

用 HF自洽场理论和密度泛函理论 (DFT)的 B3LYP方法 ,在 6 31G水平上研究了低聚物 (Cl2AlNH2)n和 (H2AlNH2)n(n=1～ 5)簇的几何构型、电子结构和聚合反应热力学性质 ,比较了两个系列化合物中化学键的强度 .结果表明 ,Cl2AlNH2和 H2AlNH2分子为 C2υ (EC)平面型结构 ,其中 Al－ N为由一个σ键和一个π键组成的双键 .(Cl2AlNH2)n和 (H2AlNH2)n(n=1～ 5)分子为 Dnh对称 ,Al－ N是典型的σ单键 .低聚物 (Cl2AlNH2)n和 (H2AlNH2)n的稳定性顺序分别为 : 3 > 2 > 4> 5 > 1和 8 > 7 > 9 > 11 > 6.     

配合物[Ni(Pht)(Medpq)(H2O)3]n的水热合成、表征及自然键轨道(NBO)分析

采用水热法合成了一种新型金属配合物[Ni(Pht)(Medpq)(H2O)3]n(1)(Pht=phthalic acid,Medpq=2-methyldipyrido[3,2-f∶2′,3′-h]quinoxaline),并对其进行了元素分析、红外光谱、热重表征、X射线单晶衍射测定和理论计算。在晶体中,Ni(Ⅱ)与来自于Medpq分子上的2个氮原子,邻苯二甲酸上的1个氧原子及来自于3个不同的配位水分子上的3个氧原子配位,形成畸变的八面体构型。整个晶体由Pht-Ni-Medpq单元组成零维结构。应用Guassian03W程序,在HF/LANL2DZ水平上对标题化合物的自然键轨道(NBO)进行了分析,结果表明Ni(Ⅱ)与配位原子间的价键类型都属于共价键范畴。     

CO在担载Ru催化剂上的吸脱附作用及其表面加氢反应

研究了担载于Al_2O_3和ZrO_2上的以Ru_3(CO)_(12)为前体的[Ru]和以RuCl_3为前体的Ru催化剂的TPR特性、CO吸脱附行为及其表面加H_2反应。担载于Al_2O_3上的[Ru]和Ru催化剂上部分物相较担载于ZrO_2上者难于还原。CO在氧化[Ru]催化剂上主要以Ru(CO)yO_2表面络合物形式存在,在还原[Ru]和Ru、以及氧化Ru催化剂上CO以吸附物种形式存在。在Ru离子上的CO比在Ru原子上者难于脱附。以ZrO_2为载体的[Ru]和Ru催化剂上的CO加H_2生成CH_4的性能显著优于以Al_2O_3为载体者,担载[Ru]催化剂上的CO加H_2性能略优于担载Ru催化剂。     

羰基镍簇Ni(CO)n(n=1-4)的结构和Ni-CO键解离性质的密度泛函理论研究

在密度泛函理论框架下, 应用不同泛函计算了配合物Ni(CO)n(n=1~4)的平衡几何构型和振动频率. 考察了泛函和基组重叠误差对预测Ni—CO键解离能的影响. 计算结果表明, 用杂化泛函能得到与实验一致的优化几何构型和较合理的振动频率. 对Ni(CO)n(n=2~4)体系, 用“纯”泛函, 如BP86和BPW91, 可得到与CCSD(T)更符合、 并与实验值接近的解离能. 当解离产物出现单个金属原子或离子(如金属羰基配合物的完全解离)时, BSSE校正项的计算中应保持金属部分的电子结构一致. 只有考虑配体基组和不考虑配体基组两种情况下金属的电子构型与配合物中金属的构型一致时, 才能得到合理的BSSE校正, 从而预测合理的解离能.     

简单的配体改变调控钌配合物催化还原CO2的活性：硼基配体的对位效应和Ru―H键的性质

开发高效的催化剂用于催化还原CO₂转化为甲酸和它的盐类已经成为研究的热点,是因为将CO₂转化为C1产物不仅可以解决CO₂的含量升高带来的环境问题,还可以解决化石能源燃烧日趋严重的问题。贵金属配合物催化CO₂转化为甲酸和甲酸盐类是目前这类反应最有效的方式,尤其是Ru、Ir和Rh等贵金属。我们之前的研究结果表明Ir(Ⅲ), Ru(Ⅱ)类配合物催化还原CO₂转化为甲酸盐的活性是由配合物Ru―H键的成键性质决定的。它们能高活性的催化CO₂是由于它们都含有同一种特点的Ru―H键,是由Ru的sd²杂化轨道和H的1s轨道杂化而成的,而且这一特点可以被活性氢的对位配体显著影响。鉴于硼基配体具有强的对位效应,我们基于高活性的均相催化剂Ru(PNP)(CO)H₂ (PNP = 2, 6-二(二叔丁基磷甲基)-吡啶)设计了Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin,并计算了二者催化还原CO₂的活性。Bcat和Bpin配体是实验上常用的硼基配体。我们的计算结果表明Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin有比Ru-PNP-H₂更长的Ru―H键、亲核性更强的活性氢,其Ru―H键中的Ru原子的d轨道杂化成分的贡献也比Ru-PNP-H₂的更少。相应地Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin活化CO₂的能垒比Ru-PNP-H₂低。而且Ru-PNP-H₂、Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin催化CO₂转化为甲酸盐的能垒分别为76.2、67.8、54.4 kJ∙mol^-1,表明Ru-PNP-HBpin具有最高的催化活性。因此,钌配合物催化还原CO₂的活性可由硼基配体强的对位效应和Ru―H键的成键性质来调控。     

The maximum number of carbonyl groups around an Ru6C polyhedral cluster: hexanuclear ruthenium carbonyl carbides

Octahedral, trigonal prismatic, and capped square pyramidal structures have been optimized for the Ru(6)C(CO)(n) clusters (15 ≤ n ≤ 20) using density functional theory. The experimentally known very stable Ru(6)C(CO)(17) is predicted to have an octahedral structure in accord with experiment as well as the Wade-Mingos rules. The stability of Ru(6)C(CO)(17) is indicated by its high carbonyl dissociation energy of ~37 kcal mol(-1) and the high energy of ~33 kcal mol(-1) required for disproportionation into Ru(6)C(CO)(18) + Ru(6)C(CO)(16). Theoretical calculations predict a doubly carbonyl bridged octahedral Ru(6)C(CO)(17) structure to be ~0.7 kcal mol(-1) more stable than the experimentally observed singly bridged structure. A trigonal prismatic Ru(6)C(CO)(19) cluster isoelectronic with the known Co(6)C(CO)(15)(2-) dianion does not appear to be viable as indicated by a low carbonyl dissociation energy of 8.8 kcal mol(-1) and a required energy of only 4.9 kcal mol(-1) for disproportionation into Ru(6)C(CO)(20) + Ru(6)C(CO)(18). The predicted instability of Ru(6)C(CO)(n) (n ≥ 18) derivatives suggests a maximum of 17 external carbonyl groups around a stable polyhedral Ru(6)C structure.     

Electrooxidation of CO on Ru（0001） and RuO2（ 100） Electrode Surfaces

The electrooxidation of CO on Ru(0001) and RuO2(100) electrode surfaces were characterized by cyclic voltammetry,AES and RHEED,The CO adlayer was first partially oxidized at 0.8 V, which is controlled by the attack of oxygen species toward the Ru(0001) surface. The remaining CO aldayer oxidation at 0.55 V is related to the combination of CO molecules with oxygen species already located on the surface,In contrast,successive peaks on RuO2(100) at 0.4 V and 0.72 V are observed ,which shows that CO molecules can directly react with two different lattice-oxygen on the surface to carbon dioxide.     

Molecular orientation of CO adsorbed on clean and Al-modified Ru(0 0 0 1) surfaces

Chemisorption of CO on the bare and Al precovered Ru(0 0 0 1) surface as well as on the Al₂Ru surface alloy, was studied by means of angle-resolved photoelectron spectroscopy using unpolarised He II radiation. Whereas CO molecules stand upright on the clean Ru(0 0 0 1) surface, as deduced by applying the symmetry selection rules of photoemission, they adsorb in a tilted geometry on the Al-precovered Ru(0 0 0 1) surface. On an Al₂Ru surface alloy, produced by annealing the Al-covered Ru(0 0 0 1) surface up to 1100 K, the CO molecules are again found to stand upright, as on the clean Ru(0 0 0 1) surface. The Al atoms, incorporated into the topmost Ru layer, do not have a significant influence on the orientation of the axis of the CO molecules.     

氧空位修饰的暴露TiO2{001}的Ru/TiO2增强光热协同CO2甲烷化活性和稳定性

利用太阳能在温和条件下实现CO₂还原反应,不仅可以缓解过度消耗化石能源造成的能源危机,还可以改善诸如温室效应和海洋酸化等环境问题.光热协同催化可以有效降低催化反应温度,具有较大的应用前景.本文利用Ru与暴露TiO₂{001}晶面的TiO₂载体产生的金属-载体相互作用,经过高温氢气煅烧后,获得具有丰富表面氧空位的Ru/TiO₂催化剂.活性测试结果表明,具有丰富表面氧空位的Ru/TiO₂表现出优异的CO₂甲烷化活性,反应过程中甲烷的TOF值在300°C时可以达到22 h-1,但该催化剂却表现出较差的稳定性,在反应10小时后,甲烷的TOF值逐渐降低到19 h-1.将紫外光引入到Ru/TiO₂热催化甲烷化体系中,甲烷的TOF值增加到30 h-1,且兼具高稳定性.热催化反应过程中逐渐消失的表面氧空位和部分氧化的Ru是活性降低的主要原因.在光热协同反应中,光生电子的产生稳定了Ru表面的电子密度,同时也再生了催化剂上表面氧空位,这有效地提高了反应的活性和稳定性.程序升温原位红外和X射线光电子能谱实验结果表明,当催化剂表面具有丰富的表面氧空位时,CO₂可以有效地在Ru纳米粒子上解离成CO中间体,随后吸附在Ru上的CO中间体解离成表面碳物种,并加氢产生甲烷.在热催化反应过程中,Ru纳米粒子逐渐被氧化成Ru Ox物种,且表面氧空位被CO中间物种覆盖,降低了催化反应的稳定性.当紫外光引入到上述反应中,催化剂的表面氧空位可有效提高光生载流子的分离能力.TiO₂载体产生的光电子转移至Ru表面,稳定了金属Ru纳米粒子的价态.另外,载体产生的光生空穴加速了H₂质子化,提高了催化剂对氢气的活化迁移能力,促进了CO中间体的加氢甲烷化反应,进而再生表面氧空位.因此在紫外光照下,兼顾提高了热催化CO₂甲烷化的活性和稳定性.值得注意的是,当Ru负载于暴露少量TiO₂{001}晶面的TiO₂载体上时,产生了强金属-载体相互作用并抑制了H₂在催化剂上的吸附活化,不利于产生表面氧空位.因此暴露少量TiO₂{001}晶面的Ru/TiO₂催化剂也不利于光生载流的产生和分离,这导致热催化或光热协同催化反应活性较低.     

The structure, growth and reactivity of electrodeposited Ru/Au(111) surfaces

In order to elucidate electronic effects on the oxidation of CO on small Ru clusters, we investigated this reaction on well defined Ru/Au(111) model systems via parallel in-situ STM studies of the structure and electrochemical deposition of Ru on Au(111) in H₂SO₄ solution and cyclic voltammetry of CO monolayer oxidation on these surfaces. The Ru deposit consists of nanoscale islands, which coalesce with increasing coverage. The Ru saturation coverage depends on the deposition potential, resulting in Ru submonolayer (>0.1 V), (defective) monolayer (≥−0.1 V), and multilayer films (<−0.1 V). At potentials >0.6 V irreversible formation of Ru oxide/hydroxide species is observed, which can be partly reduced in the range 0.4 to 0.0 V. CO stripping commences at ≈0.1 V and occurs over a broad potential range. From the stripping charge a local CO coverage on the Ru monolayer islands of 0.7 ML was estimated. The observed influence of the morphology of the Ru deposit on the CO stripping voltammetry is explained by (local) variations in the CO adsorption energy due to electronic modifications of the Ru film.     

Density Functional Theoretical Studies on the Methanol Adsorption and Decomposition on Ru(0001) Surfaces

Periodic density functional theory(DFT) calculations are presented to describe the adsorption and decomposition of CH₃OH on Ru(0001) surfaces with different coverages, including p(3×2), p(2×2), and p(2×1) unit cells, corresponding to monolayer(ML) coverages of 1/6, 1/4, and 1/2, respectively. The geometries and energies of all species involved in methanol dissociation were analyzed, and the initial decomposition reactions of methanol and the subsequent dehydrogenations reactions of CH₃O and CH₂OH were all computed at 1/2, 1/4, and 1/6 ML coverage on the Ru(0001) surface. The results show that coverage exerts some effects on the stable adsorption of CH₃O, CH₂OH, and CH₃, that is, the lower the coverage, the stronger the adsorption. Coverage also exerts effects on the initial decomposition of methanol. C-H bond breakage is favored at 1/2 ML, whereas C-H and O-H bond cleavages are preferred at 1/4 and 1/6 ML on the Ru(0001) surface, respectively. At 1/4 ML coverage on the Ru(0001) surface, the overall reaction mechanism can be written as 9CH₃OH→3CH₃O+6CH₂OH+9H→6CH₂O+3CHOH+18H→7CHO+COH+CH+OH+26H→8CO+C+O+36H.