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。     

Yb、YbO电子激发态的相对论含时密度泛函理论研究

本文用基于精确二分量哈密顿（exact two—component Hamiltonian）的相对论含时密度泛函理论（time-dependent relativistic density functional theory）计算了Yb和YbO的电子激发态,并利用对称性、自然原子轨道对激发态性质和归属进行了详细分析,所得结果支持实验对YbO基态与激发态的指认．     

密度泛函理论及其数值方法新进展

综述了密度泛函理论及其数值方法的最新进展.密度泛函理论的发展以寻找合适 的交换相关近似为主线,从最初的局域密度近似、广义梯度近似到现在的非局域泛函、自相 互作用修正,多种泛函形式的相继出现使得密度泛函理论可以提供越来越精确的计算结果. 除了交换相关近似的发展,近年来密度泛函理论向含时理论、相对论等方面的扩展也很活跃 .另外,在密度泛函理论体系发展的同时,相应的数值计算方法的发展也非常迅速.从古老 的有限差分、有限元到新兴的小波分析都被用来实现密度泛函理论的数值计算.与此同时, 线性标度的密度泛函理论算法日趋成熟,使得通过密度泛函理论研究诸如生物大分子之类的 体系成为可能.随着密度泛函理论本身及其数值方法的发展,它的应用也越来越广泛,一些新的应用领域和研究方向不断涌现.     

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。     

双核Pt(II)配合物的光谱结构和激发态性质的密度泛函理论研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论对单核和双核三联吡啶Pt(II)配合物[Pt(trpy)C≡CH]^＋ (1)和[Pt(trpy)C≡ (2)的基态和激发态以及光谱性质进行了系统研究. 结果揭示了双体配合物中Pt—Pt间距离在激发态时明显短于基态时的距离, 而且双体聚合后最低能吸收和发射波长相对单体配合物发生了明显红移, 这种激发的本质被指认为是来自于[d_σ*(d_δ*π*)]的MMLCT (metal-to-metal-to-ligand charge transfer)电荷转移跃迁. 另外, 对研究的配合物, 用VWN (Vosko-Wilk-Nusair)泛函优化得到的几何和用SAOP(轨道势的统计平均)计算的光谱能量和实验值符合得很好, 能够准确反映实验现象.     

双核Pt(II)配合物的光谱结构和激发态性质的密度泛函理论研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论对单核和双核三联吡啶Pt(II)配合物[Pt(trpy)C≡CH]^＋ (1)和[Pt(trpy)C≡ (2)的基态和激发态以及光谱性质进行了系统研究. 结果揭示了双体配合物中Pt—Pt间距离在激发态时明显短于基态时的距离, 而且双体聚合后最低能吸收和发射波长相对单体配合物发生了明显红移, 这种激发的本质被指认为是来自于[d_σ*(d_δ*π*)]的MMLCT (metal-to-metal-to-ligand charge transfer)电荷转移跃迁. 另外, 对研究的配合物, 用VWN (Vosko-Wilk-Nusair)泛函优化得到的几何和用SAOP(轨道势的统计平均)计算的光谱能量和实验值符合得很好, 能够准确反映实验现象.     

机器学习结合密度泛函理论计算在材料科学中的研究进展

近年来,材料科学研究中密度泛函理论(DFT)计算与机器学习相结合的方法呈现爆炸式增长的趋势。本文综述了DFT及其高通量方法产生的大量计算数据与机器学习相结合的原理和意义,从DFT计算的基本原理出发,重点介绍了机器学习方法的流程、常用的算法及其在催化材料预测热门研究方向中的应用,最后剖析了这个新兴领域目前存在的研究问题、挑战以及未来的发展前景。     

焦炭-NO异相还原的密度泛函理论研究进展

燃煤电站中煤炭高温燃烧时产生的氮氧化物(NOx)对环境产生严重污染,控制NOx污染物排放成为全世界的共同行动.焦炭-NO异相还原反应在燃煤过程中普遍存在,但由于焦炭复杂的化学结构和成分以及燃烧反应中气固成分,焦炭-NO异相还原反应的机理尚不明晰.本研究通过总结焦炭-NO异相还原反应机理的密度泛函理论方面的研究,从焦炭模...     

密度泛函理论模拟外电场对铁氧体电子结构的影响

通过密度泛函理论(DFT)模拟了3种典型的铁氧体(Fe₂O₃、Fe₃O₄和α-FeOOH)受外电场作用下的电子结构，研究了外电场对不同铁氧体电子结构的影响。DFT模拟结果显示：外电场的存在能够有效提高Fe₂O₃、Fe₃O₄和α-FeOOH晶体结构的价带位置，从而导致3种铁氧体的带隙出现明显的降低；当外电场强度为0.01 V·nm^-1时，Fe₂O₃、Fe₃O₄和α-FeOOH的带隙分别降低了0.36、0.12和0.34 eV；当电场增大至0.1 V·nm^-1时，Fe₂O₃晶体出现击穿现象，Fe—O化学键断裂导致Fe原子的电子沿外电场方向高度离域至相邻Fe原子，而Fe₃O₄和α-FeOOH则仅出现不同价带能级电子局域性增强且能量同质化，因而显示出相对稳定的物理化学结构。此外，外电场的存在可导致3种铁氧体价带电子均出现简并现象，且随电场强度增大而增强。3种铁氧体中，外电场的存在导致Fe₂O₃晶体中Fe原子的电荷密度增大而降低O原子的电荷密度； Fe₃O₄晶体结构中不同配位结构的Fe原子以及配位O原子的Hirshfeld电荷几乎不受外电场的影响； α-FeOOH晶体中共边FeO₆配位结构的Hirshfeld电荷受外电场影响较小，而共角FeO₆配位结构的Hirshfeld电荷受外电场影响较大，且H原子的电荷在强外电场作用下发生歧化响应。随着外电场强度逐渐增大，Fe₃O₄晶体的电子自旋态密度逐渐增大，而α-FeOOH晶体的电子自旋态密度则显示出降低的规律。     

密度泛函理论模拟外电场对铁氧体电子结构的影响

通过密度泛函理论(DFT)模拟了3种典型的铁氧体(Fe₂O₃、Fe₃O₄和α-FeOOH)受外电场作用下的电子结构,研究了外电场对不同铁氧体电子结构的影响。DFT模拟结果显示:外电场的存在能够有效提高Fe₂O₃、Fe₃O₄和α-FeOOH晶体结构的价带位置,从而导致3种铁氧体的带隙出现明显的降低;当外电场强度为0.01 V·nm^-1时,Fe₂O₃、Fe₃O₄和α-FeOOH的带隙分别降低了0.36、0.12和0.34 eV;当电场增大至0.1 V·nm^-1时,Fe₂O₃晶体出现击穿现象,Fe—O化学键断裂导致Fe原子的电子沿外电场方向高度离域至相邻Fe原子,而Fe₃O₄和α-FeOOH则仅出现不同...     

靛蓝及其取代物的密度泛函理论研究

运用量子化学中密度泛函理论(DFT)方法,在B3LYP／6-31G^ 水平上对靛蓝及其芳环4,4′-,5,5′-,6,6′-,7,7′-取代衍生物进行理论计算．探讨了F,Cl,Br,NO2,CH3O,CH3在不同位置的取代对分子的几何构型、电子结构和电子光谱的影响,获得与实验结果相一致的结论．还用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法在相同水平计算其电子光谱．结果表明靛蓝及其芳环取代衍生物的最低激发单重态(S1)均源自HOMO-LUMO(π-π^*)跃迁．     

Time-dependent Density Functional Theory Study on the Electronically Excited States of N-Methylformamide in Aqueous Solution

Excited-state hydrogen-bonding dynamics of N-methylformamide (NMF) in water has been investigated by time-dependent density functional theory (TDDFT) method. The ground-state geometry optimizations were calculated by density functional theory (DFT) method, while the electronic transition energies and corresponding oscillation strengths of the low-lying electronically excited states of isolated NMF, water monomers and the hydrogen-bonded NMF-H 2 O were calculated by TDDFT method. According to Zhao's rule on the excited-state hydrogen bonding dynamics, our results demonstrate that the intermolecular hydrogen bond C=O···O-H is strengthened and weakened in different electronically excited states. The hydrogen bond strengthening and weakening in the electronically excited state plays an important role in the photophysics of NMF in solutions.     

Theoretical Study on a 42 T Model of Beta Zeolite by Density Functional Theory Simulation

Density functional theory was applied to study the structure of Beta zeolite. A model cluster containing 41Si atoms, 1 Al atom, 70 O atoms and 29 H atoms was constructed. The model structures were optimized using the Becke＇s three-parameter hybrid method with the Lee-Yang-Parr correlation functional （B3LYP） and the 6-31G basis set applying the Gaussian03 program package. The NMR parameters were calculated to validate the rationality of the model. It was found that in the optimization models, all O-H bond lengths were in range of 0.984-0.985A^°, among which the model with O-H bond length of 0.98478A^° was more stable than the others. The ^1H and ^27Al chemical shifts of the most stable model were 4.03434 and 55.74 ppm, which were pretty consistent with Larry＇ s experimental data of 4.1 and 54 ppm. The relationship between other structure parameters and total relative electric energy has also been found. All the results exhibit that the 42 T （the total number of Si and Al atoms is 42） model has common properties of the standard of zeolite Beta.     

三硝基均苯三酚及其碱金属盐晶体的周期性密度泛函理论研究

对三硝基均苯三酚(TNPG)及其碱金属盐晶体进行DFT-B3LYP周期性计算研究, 求得其能带和电子结构, 探讨了结构-性能关系. 研究结果表明, 晶胞结构参数的计算值与实验值吻合较好. TNPG的导电性介于半导体和绝缘体之间, 而其碱金属盐均为半导体. 金属离子的引入使TNPG阴离子和金属阳离子通过配位键形成三维无限网状结构, 这种网状结构与晶体的半导体性质相关联. TNPG及其碱金属盐的前线轨道主要是由C—NO₂的原子轨道组成, 配位水和金属离子对前线轨道的组成没有贡献. TNPG碱金属盐的带隙均比TNPG的小, 根据“最易跃迁原理”可推测碱金属盐均比TNPG敏感, 这与实验事实相符. 同时, 金属离子的引入增大了酚羟基上的氧原子的活性, 这也可能是导致碱金属盐比TNPG敏感的原因之一.     

镱硫属化合物的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)研究镱硫属化合物的电子结构和性质,通过与实验比较考察了现有的几种近似密度泛函公式对镧系元素化合物的适用程度和相对论效应的影响.结果表明,用DFT计算的YbO键长对实验值的偏差约为0.002nm;但得到的键能即使在考虑梯度校正和相对论效应之后,仍比实验值高,在定域密度近似基础上引入交换梯度校正使键能计算值减小,其中PW86x使键能计算值减小稍多些,结果更接近实验值;相关梯度校正使键能计算值升高.相对论效应使键长缩短0.004～0.006nm,键能减小约0.5eV.计算结果的分析表明,Yb的5d轨道和配体的np轨道间形成σ键和π键.在所研究的分子体系中,配体原子从O到Te、Yb原子的5d轨道布后数依次减少,同键能减弱的顺序一致.相对论效应使键能减小的主要原因是在成键过程中发生了Yb的6s电子向5d轨道的转移,而相对论效应使该过程能量增加.偶极矩和电荷分布的计算表明,Yb-L键以共价性为主,相对论效应使共价性成份增加.     

Density Functional Theory Study of Hydrogen Bonding Dimers with 4-Pyridinecarboxylic Acid Hydrazine

The H‐bonding dimers of 4‐pyridinecarboxylic acid hydrazine were studied using density functional theory (DFT) at B3LYP/6‐311++G** level. The results showed that the most stable dimer D1 had two same linear N H···O hydrogen bonds, and the interaction energy between them was 51.038 kJ·mol⁻¹ which was corrected by the basis set superposition error and zero‐point. The stretching vibration frequency of N H bond had a red shift because of the hydrogen bonds. The natural bond orbital analysis showed that each N H···O hydrogen bond in D1 had the biggest interaction stabilization energy of 69.078 kJ·mol⁻¹. Thermodynamic analysis indicated that the formation process of D1 was exothermic and spontaneous at low and room temperatures.     

酞菁基态和激发态的计算

采用DFT方法在B3LYP/6-31G水平上得到了H2Pc(酞菁)的优化结构,并在此基础上采用TDDFT方法计算了激发态.通过与H2P(卟吩)、H2Pz(四氮卟吩)和H2TBP(四苯并卟啉)的比较,研究了苯并取代以及氮杂取代对H2Pc的分子轨道和激发态的影响,上述取代效应使得H2Pc的HOMO-1(132 b1u)和HOMO-3(130 b1u)轨道发生了翻转,氮杂取代的影响尤其明显.这两种取代都使得Q带振子强度增大,在这四种化合物中,H2Pc的振子强度最大.TDDFT计算结果与实验值符合得较好.     

多氯代菲分子结构和热力学性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法在B3LYP/6-311G(d, p)水平上对527个多氯代菲分子的几何结构进行了全优化并计算得到它们的热力学性质(等容热容( )、熵(S$)、标准生成焓(ΔfH$)和标准生成Gibbs自由能(ΔfG$)), 研究了这些性质与取代的氯原子数目和位置的关系, 根据各异构体的相对标准生成Gibbs自由能(Δr,fG$)的大小, 得到它们的热力学稳定性顺序. 计算结果表明: 绝大多数多氯代菲分子具有非平面的几何构型, 在多氯代菲分子中存在三种类型的分子内弱相互作用(H…H、C—H…Cl和Cl…Cl相互作用), 随着分子中取代的氯原子数目的增加, 多氯代菲最稳定异构体的ΔfH$和ΔfG$开始时逐渐减小, 然后又快速增加. 具有相同数目氯原子的多氯代菲异构体的ΔfH$和ΔfG$与氯原子的取代位置有很大的关系. 多氯代菲异构体的相对热力学稳定性主要由分子内的离域π键和Cl…Cl核排斥作用的强弱决定.