Al掺杂Sn12-团簇结构及电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3PW91方法,在混合基组水平上对Al掺杂Sn12-团簇几何结构和电子结构进行了计算分析.结果表明,Al内掺杂Sn12-团簇能量更低更稳定,但LU-MO-HOMO能隙较小.外掺杂多面体簇中,电荷从Al原子移向Sn12-笼,趋向形成[Al+Sn122-]结构;内掺杂多面体簇中,电荷从Sn12-笼移向Al原子,趋向形成[Al-@Sn12]结构.     

一步热聚合法制备K、Mn共掺杂g-C3N4复合光催化剂应用于CO2还原

以尿素和KMnO₄为原料,采用一步热聚合法制备了K、 Mn共掺杂g-C₃N₄复合催化剂,并将其应用于光催化CO₂还原. XRD、 FT-IR、 TEM-EDS、 XPS表征结果表明, K和Mn元素成功地共掺杂到g-C₃N₄骨架构成n-π*共轭形式,部分Mn元素以MnO₂的形式存在.通过色谱对产物进行检测,所有样品的主要产物为CO和CH₄,其中K、Mn共掺杂g-C₃N₄样品较纯的g-C₃N₄样品表现出更高的CO和CH₄产率,最高分别是纯g-C₃N₄的1.82倍和2.18倍.表征发现, K、 Mn共掺杂g-C₃N₄复合催化剂的CO₂还原性能的提升得益于扩展的可见光利用率和光致载流子的加速分离和转移.     

CePO4低指数晶面结构性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论系统研究了CePO₄三个低指数晶面的几何结构、原子弛豫和表面能。通过观察表面结构以及比较表面能大小得出最优晶面。结果表明：表面原子均存在不同程度的弛豫,表面原子弛豫程度导致表面能的差异。表面能的大小顺序为(010)<(100)<(001),(010)晶面是CePO₄晶体稳定表面。稳定表面几何结构表明,终止末端暴露原子为O原子。使用Wulff结构计算的平衡形态表明(001)晶面、(010)晶面和(100)晶面面积分别占总晶体形状面积的14%,45%和41%。低能表面在Wulff结构中起主导作用,表面能越低的晶面面积占比越大。稳定的CePO₄晶面存在不饱和键,有利于气体分子的吸附。这项工作对CePO₄在其他方面的密度泛函理论(DFT)研究具有指导性意义,并将为CePO₄基催化剂上的吸附和解离提供稳定表面。     

基于实验和密度泛函理论的NaHCO3吸附SeO2机理研究

本研究通过吸附实验探究了140-220℃下NaHCO₃对SeO₂的吸附性能,通过一系列表征解析了吸附后样品中硒的总量、价态和形态,结合密度泛函理论计算,探讨了NaHCO₃对SeO₂的吸附机理。结果表明,NaHCO₃对SeO₂的吸附性能随温度的升高而增加,在吸附过程中同时发生NaHCO₃向Na₂CO₃的分解反应,分解后产生的Na₂CO₃吸附活性更强。SeO₂吸附过程属于SeO₂中Se原子与Na₂CO₃表面O原子成键的化学吸附,吸附产物以亚硒酸盐为主。     

Fe3O4 (111)|(110)和(001)表面结构的密度泛函理论研究

使用密度泛函理论对Fe₃O₄ (111),(110)和(001)的表面结构及稳定性进行了研究。Fe₃O₄ (111)表面有六种不同的终结形式,其中以四面体或八面体铁层终结的结构最稳定。对于(110)和(001)表面而言,分别有两种终结,且能量相近。计算结果与实验结果非常吻合并且合理解释了实验结果的争议性和复杂性。表面自由能的计算表明,(111)表面在热力学上不如(110)和(001)表面稳定,它的形成应该是动力学控制过程。     

N和F共掺杂C3N4的制备及其可见光催化性能

针对氮化碳（C₃N₄）光生电荷易复合、光催化性能有限的不足,我们制备N和F共掺杂C₃N₄（NF-C₃N₄）,以提升其光催化性能。利用NH₄F在高温下原位分解产生的HF和NH₃,对C₃N₄刻蚀的同时实现N和F双元素共掺杂。以氯化铵（NH₄Cl）为对照,制备N掺杂C₃N₄（N-C₃N₄）。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、比表面积测试和电化学表征手段研究N、F共掺杂对C₃N₄形貌、成分、结构和物化性质等的影响规律。相比于C₃N₄和N-C₃N₄,NF-C₃N₄呈多孔状,比表面积增大,光生电荷的生成、分离和转移均被促进,NF-C₃N₄光催化还原Cr （Ⅵ）的速率是C₃N₄的2.6倍、N-C₃N₄的1.7倍。进一步考察了不同前驱体（尿素、双氰胺和三聚氰胺）对制备C₃N₄的影响,发现以尿素为前驱体的C₃N₄与NH₄F的质量比为3∶2时,NF-C₃N₄呈现最佳的光催化性能。催化剂用量、光照强度、空穴捕获剂浓度的增加和pH的降低均能提高Cr （Ⅵ）还原速率。在NF-C₃N₄浓度为0.1 g·L^-1、pH=3、c_EDTA-2Na=2 mmol·L^-1、40 min可见光照射后,Cr （Ⅵ）去除率达到90%。5次循环实验表明,优化制备的NF-C₃N₄光催化还原Cr （Ⅵ）的性能保持良好,具有较高的稳定性。     

富勒烯C70吸附氧原子的密度泛函理论研究

在密度泛函B3LYP理论下,用6-31G*基函数对富勒烯C70吸附氧原子进行了理论研究。讨论了其几何结构、电子属性、反应能、电离势和电子亲和势。计算结果表明:一个氧原子吸附在C70赤道带上形成具有开环轮烯结构的e,e-C70O是最稳定的。与基态的C70O相比,C70O35具有较大的HOMO-LUMO能隙,较高的电离势和较低的电子亲和势,因此C70O35是稳定的分子。     

Ge@C82结构及性质的理论研究

采用密度泛函理论方法,对Ge@C82的结构及性质进行计算研究.结果表明,由于包合Ge,C82碳笼平均键长增长,碳笼增大,而且Ge原子略微偏离碳笼中心.三重态的C2Ge@C82为能量最低结构.自然布居分析表明,C2C82与Ge之间未发生电子转移,可以用C2Ge@C82来表示它的结构.C2C82和C2Ge@C82的红外光谱计算结果显示,二者的主要区别为C2Ge@C82在1100～1200 cm-1区间的吸收峰变得更尖锐.     

Ag在MgF2(010)表面吸附的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势法, 对MgF2(010)面及吸附Ag的构型进行了优化, 并计算了MgF2(010)面吸附Ag体系的吸附能、 电子结构和光学性能. 结果表明, MgF2(010)面能隙低于体相, 态密度分裂, 出现表面态. Ag在MgF2(010)面的吸附属于稳定的化学吸附, 最佳吸附位为最外层F的四重穴位. 吸附机理主要表现为Ag的4p轨道与第二层的Mg的2p和3s轨道之间发生相互作用, 有少量电荷从Ag向Mg迁移. 吸附Ag后, 可见光波段的光吸收增加, Ag吸附后将使体系在可见光波段出现吸收峰.     

Ni-P@g-C3N4复合材料的合成与可见光催化性能

以三聚氰胺为前驱体,采用两步热聚合法,制备了一系列石墨相氮化碳(g-C₃N₄)基光催化复合材料。通过X-射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸附、光致荧光光谱(PL)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和电化学阻抗谱(EIS)等表征了其结构与光电特性。结果发现,Ni-P共掺杂可以有效改善g-C₃N₄的可见光吸收性能,减小其电化学阻抗,抑制光生载流子的复合。以可见光条件下降解亚甲基蓝(MB)溶液为探针反应研究了Ni-P@g-C₃N₄复合材料的光催化降解性能。结果表明,照射120分钟1.5%Ni/P-CN复合材料对MB的降解率为61.7%,速率常数为0.00785 min^-1,是纯g-C₃N₄的两倍。反应体系的主要活性物种为超氧自由基(·O₂^-)。经过简单处理催化剂可重复使用3次以上且活性保持稳定。     

噻唑类生色分子的电子光谱和非线性光学性质

在B3LYP/6-31+G*水平上对八种噻唑类生色分子的电子光谱与二阶非线性光学性质茁进行计算研究. 结果表明, 含羟乙基、烷氧乙基、氟乙基和氨乙基活性基团的噻唑类分子具有大的β值, 为1.6×10-28 esu左右, 与实验结果基本一致. 气相中的最大吸收波长λmax位于480-488 nm范围内. 含羟乙基活性基团的噻唑分子, 随溶剂极性增大, λmax有红移趋势.     

BaTiO3的电子结构和光学性质

采用第一性原理赝势平面波方法, 在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下分别计算了BaTiO3立方相和四方相的电子结构, 并在局域密度近似下计算了BaTiO3立方相的光学性质. 结果表明, BaTiO3立方相和四方相都为间接带隙, 方向分别为Γ-M和Γ-X, 大小分别为2.02和2.20 eV. 对BaTiO3和PbTiO3铁电相短键上电子布居数的对比分析, 给出了它们铁电性大小的差别. 且在30 eV的能量范围内研究了BaTiO3 的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数、反射系数和能量损失系数等光学性质,并基于电子能带结构对光学性质进行了解释. 计算结果与实验数据相符合.     

Effect of Pressure on Electronic Structures and Optical Properties of Rocksalt InN

The electronic structures and optical properties of rocksalt indium nitride (InN) under pres-sure were studied using the first-principles calculation by considering the exchange and cor-relation potentials with the generalized gradient approximation. The calculated lattice con-stant shows good agreement with the experimental value. It is interestingly found that the band gap energy E_g at the Γ or X point remarkably increases with increasing pressure, but E_g at the L point does not increase obviously. The pressure coefficient of E_g is calculated to be 44 meV/GPa at the Γ point. Moreover, the optical properties of rocksalt InN were calculated and discussed based on the calculated band structures and electronic density of states.     

ZnO氧缺陷的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对ZnO_0.875的电子结构和光学性质进行了计算. 用第一性原理对含氧空位的ZnO晶体进行了结构优化处理, 计算了完整的和含氧空位的ZnO晶体的电子态密度. 结合精确计算的电子态密度分析了带间跃迁占主导地位的ZnO_0.875 材料的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数和反射系数, 并对光学性质和极化之间的联系做了详细讨论. 结果表明ZnO_0.875晶体是单轴晶体, 并且在低能区域存在因氧缺陷而造成的一些特性. 我们的研究结果为ZnO的发光特性提供新的视野, 同时为ZnO的光电子材料的设计和应用提供理论基础.     

Fe/Cr超晶格的电子结构和磁性质

应用密度泛函全势线性缀加平面波(FLAPW)方法研究了Fem/Crn (m=3, 4; n=1, 3, 4)超晶格的电子结构和磁性质. 结果表明, Fe3/Cr1和Fe3/Cr3体系的基态中, Fe层间存在铁磁耦合; 而Fe4/Cr4体系基态中, 存在反铁磁耦合; Cr层的磁矩方向交替变化, 交界面上的Fe和Cr间存在反铁磁耦合.     

黄铜矿型铜基硫属半导体材料的电子结构和光学性质

采用基于赝势平面波基组的密度泛函理论方法, 对具有黄铜矿结构的6种CuXY₂(X=Ga, In; Y=S, Se, Te)晶体的构型、 电子结构、 线性及二阶非线性光学性质进行了研究. 结果表明, 6种CuXY₂均为直接带隙半导体, 具有相似的能带结构. 当X原子相同时, 随着Y原子按S→Se→Te依次改变时, 体系的静态介电常数、 静态折射率和静态倍频系数(d₃₆)依次递增. 在占据带中, 位于价带顶附近的能带对体系倍频效应影响最为显著, 该系列化合物的能带主要成分为Cu的3d轨道和Y原子价层p轨道; 对于空能带, 对倍频系数影响较大的是以X原子价层p轨道为主要成分的能带. 6种晶体中, CuInSe₂晶体具有较高的光电导率并对太阳光具有较好的吸收性能. 综合考虑体系的双折射率和倍频效应等因素, CuGaS₂和CuGaSe₂ 2种晶体在二阶非线性光学领域具有潜在的应用价值.     

杂原子掺杂的含单空位缺陷BN纳米管的非线性光学性质

采用密度泛函理论(DFT)研究了杂原子M(M=Li, Na, K, Be, Mg, Ca, C和Si)在B/N单空位缺陷处的掺杂对(6,0)BN纳米管体系非线性光学性质的影响. 采用B3LYP方法共得到了14种几何构型, 并采用BHandHLYP方法计算了这些结构的第一超极化率β₀值. 研究结果表明, 单纯的B或N缺陷几乎不影响BN纳米管体系的非线性光学性质; 与B缺陷处掺杂的体系相比, 杂原子在N缺陷处的掺杂更有利于提高BN纳米管体系的第一超极化率β₀值; 对于同周期掺杂原子, 还原性越强的原子掺杂对BN纳米管体系的第一超极化率β₀值的改善越明显, 表现为β₀(Ⅰ族)>β₀(Ⅱ族)>β₀(Ⅳ族); 对比同主族掺杂原子, 第三周期元素Na和Mg的掺杂能更有效地提高体系的第一超极化率β₀值, 原因主要在于原子半径和还原性等因素共同决定其对BN纳米管体系第一超极化率β₀值的改善程度. 本文研究结果为有效提高BN纳米管体系的非线性光学性质提供了一种新思路, 为基于BN纳米管的非线性光学材料设计提供了有价值的理论信息.     

Cu掺杂MgF2晶体的电子结构及光学特性

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纯的MgF2晶体和掺杂不同原子分数(2.08%,4.16%,6.24%)Cu的MgF2晶体结构、电学性质以及光学性质.结果表明:Cu的掺入导致MgF2晶体禁带宽度逐渐变窄,并且Cu掺杂使得MgF2晶体折射率和吸收峰增加,特别是在4eV附近区域出现了新吸收峰.同时也给出了引起体系性质变化的物理机制,Cu掺杂MgF2晶体在光电化学方面有着潜在的应用价值.     

Density Functional Theory Study on Electronic and Magnetic Properties of Mn-doped (MgO)n (n=2-10) Clusters

We study the geometries, stabilities, electronic and magnetic properties of (MgO)_n (n=2-10) clusters doped with a single Mn atom using the density functional theory with the gener-alized gradient approximation. The optimized geometries show that the impurity Mn atom prefers to replace the Mg atom which has low coordination number in all the lowest-energy MnMg_n-1O_n (n=2-10) structures. The stability analysis clearly represents that the aver-age binding energies of the doped clusters are larger than those of the corresponding pure (MgO)_n clusters. Maximum peaks of the second order energy differences are observed for MnMg_n-1O_n clusters at n=6, 9, implying that these clusters exhibit higher stability than their neighboring clusters. In addition, all the Mn-doped Mg clusters exhibit high total magnetic moments with the exception of MnMgO₂ which has 3.00 μB. Their magnetic be-havior is attributed to the impurity Mn atom, the charge transfer modes, and the size of MnMg_n-1O_n clusters.