离子化程度对硼取代富勒烯C19Bn+（n=0-3）体系储氢性能的影响

本文采用密度泛函理论方法,研究了氢气分子在硼取代富勒烯C19Bn+（n=0-3）表面的非解离吸附态、化学吸附态、及吸附态之间转换过渡态的结构和能量,得到了吸附态之间转换反应的势能面. 研究表明通过调整体系的离子化电荷可以调整吸附位点的电荷布居数,随着硼取代富勒烯离子化体系C19Bn+的吸氢活性位点电荷布居数增大,氢分子被极化的程度以及氢分子在材料表面的吸附能均逐渐增大,同时改变电荷布居数也对氢气分子在表面吸附态间转变势垒高度产生了量级为几个Kcal/mol的影响. 希望我们的研究能够对富勒烯储氢的进一步发展提供参考.     

甲烷在多孔硅表面物理吸附特征研究

在密度泛函理论耦合超软贋势第一性原理的平台上,研究了甲烷在Si(111)表面的物理吸附特性。通过建立硅晶胞的不同吸附位置（top、bridge、fcc）模型,对比分析了甲烷在相应位置吸附界面变化的键结构、吸附能和态密度,获得了相应吸附点的吸附特征。对比分析的结果表明,甲烷只有在top位置物理吸附状态较为理想。分析态密度、键长及键角等数据揭示top位甲烷吸附对体系硅晶胞有很大的影响,其体系的键能最低,即此时体系结构最稳定。本文所得研究成果可用于Si表面对甲烷气体的敏感性分析及气体传感器领域。     

甲烷在多孔硅表面物理吸附特征研究(英文)

在密度泛函理论耦合超软贋势第一性原理的平台上,研究了甲烷在Si(111)表面的物理吸附特性.通过建立硅晶胞的不同吸附位置(top、bridge、fcc)模型,对比分析了甲烷在相应位置吸附界面变化的键结构、吸附能和态密度,获得了相应吸附点的吸附特征.对比分析的结果表明,甲烷只有在fcc位置物理吸附状态较为理想.分析态密度、键长及键角等数据揭示fcc位甲烷吸附对体系硅晶胞有很大的影响,其体系的键能最低,即此时体系结构最稳定.本文所得研究成果可用于Si表面对甲烷气体的敏感性分析及气体传感器领域.     

半导体性单壁碳纳米管与其石墨衬底表面相互作用的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的计算方法,研究了处于石墨（HOPG）表面的半导体性单壁碳纳米管,发现碳纳米管下面的石墨受碳管的作用向下凹陷,而纳米管本身虽然保持其形状不变,但它的电子态受石墨衬底影响,造成导带下移,禁带宽度明显减小. 关键词： 单壁碳纳米管 密度泛函理论 局域密度近似方法     

吸附制冷中化学吸附的滞后圈研究

文中通过对活性炭-氨以及氯化钙-氨的对比试验,对氯化钙-氨化学吸附的滞后圈进行了研究,结果表明, 化学吸附的滞后现象非常严重,已经超出了气-固吸附的Zigmondy、McBain以及Cohan模型所能解释的范围。对化学吸附的Claperon图进行研究,发现吸附床冷却及加热过程中存在着一段等压冷却以及加热过程,这两个过程与吸附滞后圈相对应。对此现象进行分析,结果表明化学吸附的滞后圈形成原因主要与络合物的稳定常数以及吸附特性相关。     

掺硼水吸附碳纳米管电子场发射性能的第一性原理研究

运用第一性原理研究了掺硼碳纳米管(BCNT)顶端吸附水分子后的电子场发射性能.结果表明：掺B及吸附H₂O的碳纳米管(BCNT+H₂O)端部形成电子聚集的原子尺度微区,其电子态密度(DOS)在费米能级(E_f)附近有很大提高.根据计算的电子DOS,HOMO/LUMO及Mulliken电荷分布等可知BCNT+H₂O比CNT+H₂O有更好的场发射性能. 关键词： 掺硼碳纳米管 吸附 密度泛函理论 电子场发射     

氮掺杂及水分子吸附碳纳米管电子场发射第一性原理研究

对闭口碳纳米管(CNT)顶端分层掺氮及吸附不同数目水分子体系,运用第一性原理研究了有电场存在时的电子场发射性能.结果表明：掺氮并吸附水分子的CNT结构稳定;外电场愈强、水分子数愈多,体系态密度(DOS)向低能端移动幅度愈大且最高分子占据轨道(HOMO)/最低分子空轨道(LUMO)能隙愈小.吸附能,DOS/LDOS,HOMO/LUMO及其能隙分析一致表明,第三层氮掺杂CNT吸附不同数目水分子体系的场发射性能最佳. 关键词： 氮掺杂 水吸附 密度泛函理论 电子场发射     

过渡金属Pd掺杂AsP结构及其吸附甲醛和一氧化碳的性能研究

基于第一性原理方法,研究了单层本征磷砷AsP和过渡金属钯（Pd）掺杂磷砷AsP的结构,并对比研究了本征和掺杂后的AsP吸附甲醛（HCHO）和一氧化碳（CO）气体分子的稳定性、能带结构、态密度以及电荷差分密度。研究结果表明：经Pd掺杂后AsP由半导体转变为导体;本征AsP吸附一氧化碳最稳定的位置为P-As键顶上,吸附甲醛最稳定的位置为P原子顶上;本征吸附时气体分子与基底之间的距离在3 Å左右,气体分子与基底之间未形成化学键。过渡金属Pd原子掺杂AsP后形成两种结构,分别为Pd原子替换超胞结构中的As原子或P原子。两种掺杂结构分别吸附一氧化碳或甲醛气体分子时,除了Pd原子替换AsP中的As原子形成的结构吸附甲醛的吸附能未明显增加外,其余掺杂结构吸附一氧化碳或甲醛的吸附能和电荷转移较本征吸附时均显著增强,吸附CO分子时,C原子与Pd原子之间形成了化学键。特别是,Pd原子替换AsP中的P原子形成的结构对一氧化碳和甲醛气体分子的吸附性能明显强于Pd原子替换AsP中的As原子所形成的结构。     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO2(101) 面吸附NH3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属（B、C、N、F）掺杂的TiO2(101)表面吸附NH3的特性与作用机理。研究发现：被非金属掺杂后的表面对NH3的吸附效果要优于未掺杂表面。不同元素掺杂对比发现：C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构。通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH3在TiO2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂（X）位原子与NH3分子的相互作用强弱不同所造成。掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定。     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO2(101) 面吸附NH3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属（B、C、N、F）掺杂的TiO2(101)表面吸附NH3的特性与作用机理。研究发现：被非金属掺杂后的表面对NH3的吸附效果要优于未掺杂表面。不同元素掺杂对比发现：C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构。通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH3在TiO2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂（X）位原子与NH3分子的相互作用强弱不同所造成。掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定。     

Challenges in hydrogen adsorptions: from physisorption to chemisorption

In this short review, we will briefly discuss the story of hydrogen storage, its impact on clean energy application, especially the challenges of using hydrogen adsorption for onboard application. After a short comparison of the main methods of hydrogen storage (high pressure tank, metal hydride and adsorption), we will focus our discussion on adsorption of hydrogen in graphitic carbon based large surface area adsorbents including carbon nanotubes, graphene and metal organic frameworks. The mechanisms, advantages, disadvantages and recent progresses will be discussed and reviewed for physisorption, metal-assisted storage and chemisorption. In the last section, we will discuss hydrogen spillover chemisorption in detail for the mechanism, status, challenges and perspectives. We hope to present a clear picture of the present technologies, challenges and the perspectives of hydrogen storage for the future studies.     

尼古丁分子的能级结构和光谱计算

研究尼古丁分子的能级结构与光谱特征,对更好地了解尼古丁分子的毒性和药性有理论指导作用.基于密度泛函理论(DFT),本文利用Gaussian 09软件在B3LYP/6-311G(d,p)基组水平上对尼古丁分子进行结构优化,再采用含时密度泛函理论(TD-DFT)在乙醇溶剂中计算尼古丁分子的15个激发态.使用Multiwfn波谱分析软件对分子前线轨道进行计算,并绘制出分子的红外谱图和紫外谱图.通过前线轨道分析可知,尼古丁分子的亲核位点是吡啶环上的C3和N6、亲电位点是吡咯环上的N22.吡啶环上的C-H、N-H键面内伸缩振动峰主要集中在3049～3079 cm~(-1),吡咯环上的甲基、亚甲基的伸缩振动峰主要集中在2796～3005 cm~(-1),其中在2816 cm~(-1)处甲基上C-H键振动峰最为明显,占比43.3%;吡咯环与吡啶环的摆动峰主要集中在1027～1455 cm~(-1),吡啶环的面内振动峰主要集中在1008～1027 cm~(-1),在800 cm~(-1)以下吸收峰都为吡啶环的面外摆动峰.紫外光谱的最大吸收峰位于173.46571 nm处,主要是由基态S0跃迁到激发态S5、S6、S10、S11、S12、S13、S14形成的,其中基态S0跃迁到激发态S11的贡献最大,其余激发态跃迁振子强度小于0.03,为禁阻跃迁.     

Cl对气态亚硝酸(HONO)直接提氢反应机理的研究

采用密度泛函理论研究了Cl对气态亚硝酸(HONO)直接提取氢的反应机理.在B3LYP/6-311G(d,p)水平上,优化得到了反应途径上的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型;通过频率分析对各分子构型进行了确认;并利用QCISD(T)方法计算了各分子单点能量.计算结果表明,HONO分子具有顺式和反式两种构型;常温条件下,Cl对顺式构型直接提取氢的反应竞争性具有明显优势,其主要反应途径为:cis-HONO+Cl→cis-M1→cis-TS→cis-M2→HCl+NO_2.     

Cl对气态亚硝酸（HONO）直接提氢反应机理的研究

采用密度泛函理论研究了Cl对气态亚硝酸（HONO）直接提取氢的反应机理。在B3LYP/6-311G(d,p)水平上,优化得到了反应途径上的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型;通过频率分析对各分子构型进行了确认;并利用QCISD(T)方法计算了各分子单点能量。计算结果表明,HONO分子具有顺式和反式两种构型;常温条件下,Cl对顺式构型直接提取氢的反应竞争性具有明显优势,其主要反应途径为：cis-HONO+Cl→cis-M1→cis-TS→cis-M2→HCl+NO2。     

Interaction of hydrogen molecules on Ni-doped single-walled carbon nanotube

Adsorption of hydrogen molecules on an Ni-doped (8,0) single-walled carbon nanotube (SWNT) is investigated by using first-principles density functional calculations. The result shows that a single Ni atom adsorbed on the bridge site of the tube could cannot dissociate the H₂, however it can chemisorb three H₂ at most, with the average binding energy per H₂ suitable for the hydrogen storage at the room temperature. More H₂ would physisorb around an Ni atom weakly. As for the SWNT with an Ni dimer adsorbed, we find that when the H₂ approaches the Ni--Ni bond, it dissociates without overcoming any barrier and makes bonds with Ni atom.     

A DFT study of Ti3C2O2 MXenes quantum dots supported on single layer graphene: Electronic structure and hydrogen evolution performance

Heterojunction structure has been extensively employed for the design of novel catalysts. In the present study, density functional theory was utilized to investigate the electronic structure and hydrogen evolution performance of Ti₃C₂O₂ MXene quantum dots/graphene (QDs/G) heterostructure. Results show that a slight distortion can be observed in graphene after hybriding with QDs, due to which the electronic structure of QDs have been changed. Associated with such QDs-graphene interaction, the catalytic activity of Ti₃C₂O₂ QDs has been optimized, leading to excellent HER catalytic performance.     

Theoretical and experimental studies on the adsorption behavior of thiophenol on gold nanoparticles

FT‐Raman spectra were obtained for thiophenol (TP) and TP on gold nanoparticles. All vibrational fundamentals for the TP molecule are assigned on the basis of the scaled quantum force field procedure. Three model systems are studied and compared for the interactions of TP with the Au atom: (1) TP with a Au atom, C₆H₅SH Au; (2) TP anion with a Au atom, C₆H₅S⁻ Au; and (3) TP with a Au atom and subsequent formation of thiophenylate, C₆H₅SAu. The equilibrium structures and Raman spectra were calculated for the model systems using density functional theory (DFT) with the B3LYP functionals and the mixed basis set 6‐311 + G** (for C, S, H) and LANL2DZ (for Au), and theoretical Raman wavenumbers of C₆H₅SAu and C₆H₅S⁻ Au were assigned according to potential energy distributions. The third model system is shown to be preferred over the other two. The calculated binding energies are also shown to support the third model system. It is suggested that a simple model, such as the one used in the present study, is reasonable to describe surface‐enhanced Raman spectroscopy of thiophenol adsorbed on gold nanoparticles. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

碱金属钠原子修饰硅原子团簇的结构及储氢性能研究

提出碱金属钠原子修饰笼形Si_6团簇的结构模型,采用密度泛函理论(DFT)研究钠原子修饰笼形Si_6团簇的结构及储氢性能.研究结果表明,氢分子与笼形Si_6团簇表面相互作用很弱,氢分子在其表面容易脱附.采用钠原子修饰笼形Si_6团簇后可有效避免氢分子的脱附,并且钠原子在笼形Si_6团簇的表面不发生团聚,有利于氢分子在其表面吸附和循环利用.研究发现在两个钠原子修饰笼形Si_6团簇的结构中,每个钠原子可以有效吸附六个氢分子.计算得到Na2Si_6团簇结构储氢的质量分数高达10.08 wt%,且氢分子的平均吸附能约为0.837 kcal/mol.可见,实现钠原子修饰笼形Si_6团簇结构在常温常压条件下储氢是有可能的.     

第一性原理对GanP-m阴离子团簇结构及其光电子能谱的研究

本文利用密度泛函理论(DFT)对GanP-(n=2-7)和GanP2-(n=1-6)阴离子团簇的几何结构、电子态及稳定性进行了研究.在B3LYP/6-31G*水平上进行了结构优化和频率分析,得到了GanP-(n=2-7)和GanP2-(n=1-6)团簇的基态结构.这些阴离子团簇的几何结构随着n的增大,在n=5时由平面结构转化为立体结构;在GanP2-(n=1-6)团簇中,P-P比Ga-P容易成键;在GanP-(n=2-7)和GanP2-(n=1-6)阴离子团簇中,Ga3P2-,Ga4P2-,Ga5P2-和Ga6P-的基态结构最稳定.     

Palladium‐catalyzed cyclization of 2‐alkynyl‐N‐ethanoyl anilines to indoles: synthesis,structural, spectroscopic,and mechanistic study

This study reports a facial regio‐selective synthesis of 2‐alkyl‐N‐ethanoyl indoles from substituted‐N‐ethanoyl anilines employing palladium (II) chloride, which acts as a cyclization catalyst. The mechanistic trait of palladium‐based cyclization is also explored by employing density functional theory. In a two‐step mechanism, the palladium, which attaches to the ethylene carbons, promotes the proton transfer and cyclization. The gas‐phase barrier height of the first transition state is 37 kcal/mol, indicating the rate‐determining step of this reaction. Incorporating acetonitrile through the solvation model on density solvation model reduces the barrier height to 31 kcal/mol. In the presence of solvent, the electron‐releasing (–CH₃) group has a greater influence on the reduction of the barrier height compared with the electron‐withdrawing group (–Cl). These results further confirm that solvent plays an important role on palladium‐catalyzed proton transfer and cyclization. For unveiling structural, spectroscopic, and photophysical properties, experimental and computational studies are also performed. Thermodynamic analysis discloses that these reactions are exothermic. The highest occupied molecular orbital?lowest unoccupied molecular orbital gap (4.9–5.0 eV) confirms that these compounds are more chemically reactive than indole. The calculated UV–Vis spectra by time‐dependent density functional theory exhibit strong peaks at 290, 246, and 232 nm, in good agreement with the experimental results. Moreover, experimental and computed ¹H and ¹³C NMR chemical shifts of the indole derivatives are well correlated. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.