硼/氮掺杂富勒烯C20的结构和稳定性

应用密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-31G*方法, 对C_20-2nX_2n(X=B, N; n=1、2、3、4)各异构体进行几何构型全优化和振动频率计算, 确定了基态结构, 对它们的取代方式、电子结构、张力和芳香性进行了研究. 氮掺杂不能显著降低分子的张力, C₁₂N₈的张力甚至比C₂₀的还要大, 极不稳定. C₁₈B₂的两个最稳定异构体1,14-C₁₈B₂和1,3-C₁₈B₂都有比较大的能隙和结合能, 具有很强的芳香性, 其张力与C₂₀的相比均显著降低. 1,14-C₁₈B₂ 和1,3-C₁₈B₂具有较高的稳定性, 可以用红外光谱区分这两个构型异构体.     

Sc,Ti,V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究

3d过渡金属修饰是改善石墨烯储氢性能的最有效途径, 但仍存在金属团聚和H₂解离导致难以脱附的问题. 提出了B/N掺杂单缺陷石墨烯(BMG/NMG)的策略来避免以上两个问题. 密度泛函理论计算结果表明, N掺杂可以使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高3~4倍, B掺杂可以将Sc与石墨烯的结合能提高3倍. Sc/BMG和Sc/NMG吸附的第一个H₂不会解离. Sc/BMG中Sc吸附5个H₂, 平均氢分子结合能为-0.18～-0.43 eV, 并且可以通过在同侧锚定多个Sc原子形成Sc/C₃B₂五元环增加H₂吸附位点. Sc/NMG中每个Sc吸附6个H₂, 平均氢分子结合能为-0.17～-0.29 eV, 还可以通过在异侧修饰形成Sc/N₃/Sc单元进一步提高储氢能力. 研究结果将为设计基于3d过渡金属修饰碳材料的储氢材料提供理论基础.     

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。     

Fe@C60几何结构和电子性质的计算研究

The generalized gradient approximation （GGA） based on density functional theory （DFT） was used to analyze the structural and electronic properties of Fe@C60 and C59Fe for comparison. Among the six possible optimized geometries of Fe@C60, the most favorable endohedral site of Fe atom is under the center of a hexagon ring, i.e., Fe@C60-6. The Energy gap （Eg） of Fe@C60-6 is smaller than those of C59Fe and C60, indicating the higher chemical reactivity. The magnetic moment of Fe atom in Fe@C60-6 is preserved to some extent though there is the hybridization between the ge atom and C atoms of the cage, in contrast to the completely quenched magnetic moment of the Fe atom in C59Fe.     

C40X2（X=H,F,Cl,Br）的理论研究

应用密度泛函理论在B3LYP/6-31G*水平上对C40X2(X=H,F,Cl,Br)进行研究.研究结果表明,C40X2(X=H,F,Cl,Br)在热力学上是稳定的,卤化衍生物的稳定性随卤素原子序数的增大而降低,最有利的衍生化方式是1-4加成,1-2与1-4加成的卤化和氢化衍生物在所研究的分子中较为稳定.这些研究有助于理解富勒烯衍生物的衍生化模式.     

C72衍生物C72X4（X=H,F,Cl）的理论研究

在混合密度泛函B3LYP理论下,用6-31G*基函数对富勒烯C72及其衍生物C72X4(X=H,F,Cl)进行了几何构型优化。计算了分子静电势、前线轨道能级差、反应能、核独立化学位移(NICS)和振动频率。计算结果表明,C72(#11188)球外负静电势出现在一对相邻五边形公共顶点以及两个六边形-五边形-六边形公共顶点区域,这些点即为化学反应中最可能的活性点;C72X4均是势能面上的稳定驻点;C72X4的能隙比C72大,这些加成反应都是放热的,并且具有很强的芳香性。因此它们都有可能合成出来。     

能量最低构型Ca2B4团簇的储氢性能

基于密度泛函理论,研究了Ca₂B₄团簇的几何结构、电子特征和储氢性能。前2个与第4个能量最低构型Ca₂B₄ 01、Ca₂B₄02和Ca₂B₄ 04有很高的热力学稳定性,分别最多可以吸附12、12和10个氢分子,达到16.3%、16.3%和14.0%的储氢量,超过了美国能源部提出的目标(5.5%）。Ca₂B₄ 01(H₂)₁₂、Ca₂B₄ 02(H₂)₁₂和Ca₂B₄ 04(H₂)₁₀的平均每个氢分子吸附能量分别为0.58~4.21 eV、0.54~3.69 eV和0.10~0.12 eV。玻恩-奥本海默分子动力学模拟表明,Ca₂B₄ 01和Ca₂B₄ 02可作为潜在吸附氢气的候选目标,而Ca₂B₄ 04不行。吉布斯自由能校正的氢吸附能结果表明,在101 325 Pa下,Ca₂B₄ 01和Ca₂B₄ 02吸附12个氢气分子有较大的可调节的温度范围。     

[Ti（CO）6（MPEt3）]^—（M=Au,Ag,Cu）配合物稳定性及共电子性质的量子化学研究

采用ab initioHF和密度泛函B3LYP方法对[Ti(CO)6(MPEt3)]^配合物稳定性进行了系统理论计算，并对Ti-Au金属－金属相互作用能运用完全均衡校正法对基函数重叠误差（BSSE）进行较正。理论优化的结构与X射线衍射晶体结构实验基本相符，Ti-Au相互作用能为10．8575eV(B3LYP/BSSE)。进一步探讨Cu族元素为中心的同系配合物离子[Ti(CO)6(MPEt3)]^-(M=Cu,Ag,R=Me,H)的电子性质及结合能规律，结果表明：Cu族化合物中，Au形成了较为稳定的化合物，表现出金属－金属相互作用影响比较明显。     

三（五甲基环戊二烯基）稀土金属配合物（C5Me5）3Ln（Ln=Sc,Y,La）的量子化学理论研究

采用从头计算方法和密度泛函理论方法,对三(五甲基环戊二烯基)稀土金属配合物(C5Me5)3Ln(Ln=Sc,Y,La)的几何结构、电子结构以及Ln-C5Me5之间的结合能进行了研究.(C5Me5)3Ln的电子结构符合过渡金属配合物18电子规则的描述,因而具有较好的稳定性.Ln原子的(n-1)d、ns轨道能够与C5Me5的π轨道较好的重叠并组成强成键轨道.研究发现(C5R5)3Ln(R=H,Me)的几何结构受到Ln-C5R5成键效应和C5R5-C5R5位阻效应两个相反因素的影响,其稳定性则受到Ln原子半径-(C5R5)3孔径尺寸匹配关系的制约.在C5R5上引入特定的取代基后可以从轨道能级、金属原子-配体距离、配体-配体距离等多方面直接或间接的影响Ln-C5R5间的成键强度,进而实现对(C5R5)3Ln稳定性和反应活性的控制.     

S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的实验与理论研究

向Fe/N/C非贵金属催化剂中再引入S掺杂是进一步提高其氧还原催化活性的有效方法。为了探究活性提高的原因,本文以三聚氰胺-甲醛树脂为前驱体,氯化钙为模板,氯化铁为铁源,通过添加硫氰化钾(KSCN)来控制热解催化剂的S掺杂量。通过对比分析催化剂的物化性质,结合密度泛函理论(DFT)计算,分析S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的原因。透射电子显微镜(TEM)和N_2吸脱附等温线测试结果表明,S元素可抑制含铁纳米粒子的形成,促使形成多孔碳结构,提高比表面积。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,适量S前驱体可实现较高的S掺杂含量,得到最优的活性,过量的S反而会导致Fe和S的掺杂量同时降低,影响活性。DFT计算结果表明在Fe-N_4大环中引入S掺杂,可增强O_2分子和中间体OOH与Fe-N_4结构中的Fe的相互作用,促进形成Fe―O键,从而导致O―O键的键能显著降低,为后续反应O―O键的断裂提供可能,促进ORR反应的进行。     

MAlH4(M=Li,Na)储氢材料*

氢能是一种新型的清洁能源,有望替代碳经济,而氢的储存是氢能应用的关键。近年来,研究集中在具有储氢容量高和可逆性好等优点的固态储氢材料上。许多新型储氢材料不断出现,其中以MAlH₄(M=Li, Na)为代表的金属复合氢化物体系被认为是最有前景的储氢材料之一。本文综述了MAlH₄(M=Li, Na)作为可逆储氢材料的研究现状,主要从吸放氢反应、储氢性能、反应机理、理论计算和存在的问题等方面进行了讨论,并指出其相关发展趋势。     

难熔固体MX(M=Sc,Ti,V;X=C,N,O)电子结构和力学性质的密度泛函研究

采用密度泛函方法对MX(M=Sc,Ti,V;X=C,N,O)固体的体相电子结构和力学性质进行了系统研究.计算结果表明,对于金属原子相同的同一系列化合物,氮化物具有最大的体模量;进一步的研究可知,随着外界压力的增大,化合物由NaCl构型向CsCl构型转变由易到难的顺序依次是氧化物、氮化物和碳化物.本文还首次用密度泛函方法系统地计算了各化合物的能带结构和态密度,并对该类型化合物的导电性能进行了探讨.     

[Ti(CO)6(MPEt3)]-(M=Au,Ag,Cu)配合物稳定性及其电子性质的量子化学研究

采用abinitioHF和密度泛函B₃LYP方法对[Ti(CO)₆(AuPEt₃)]^-配合物稳定性进行系统理论计算,并对Ti-Au金属-金属相互作用能运用完全均衡校正法对基函数重叠误差(BSSE)进行较正.理论优化的结构与X射线衍射晶体结构实验值基本相符,Ti-Au相互作用能为10.8575eV(B₃LYP/BSSE).进一步探讨Cu族元素为中心的同系配合物离子[Ti(CO)₆(MPR₃)]^-(M=Cu,Ag;R=Me,H)的电子性质及结合能规律,结果表明:Cu族化合物中,Au形成了较为稳定的化合物,表现出金属-金属相互作用影响比较明显.     

MH~+(M=Fe,Co,Ni)催化二氧化碳的氢化反应

在密度泛函理论的B3LYP水平下计算了MH~+(M=Fe,Co,Ni)催化二氧化碳的氢化反应.研究表明,氢转移至C上要比转移至O上容易得多.探讨不同泛函方法对反应的影响,从CCSD(T)的计算结果可见,与Co H~+和Ni H~+相比,Fe H~+对H转移至C上的活性较高.电子结构分析表明,反应过程中氢转移为氢负离子转移.     

C56X10(X=F,Cl, Br,I)的结构稳定性和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)方法对C56X10(X=F, Cl, Br, I)的结构稳定性和电子性质进行了计算研究. 结构稳定性计算表明: 对于C56X10(X=F, Cl, Br, I), 能隙、反应热、最大振动频率和最小振动频率都随着X原子序数的增加而减小, 表明C56X10(X=F, Cl, Br, I)的稳定性随着X原子序数的增加而逐渐降低, 其中C56F10最为稳定. 前人在实验上已成功合成出C56Cl10, 因此, 我们推测C56F10有望在实验上成功合成. 前线轨道计算发现, C56相邻的五边形公共顶点以及两个六边形-五边形-六边形公共顶点是笼子中化学活性最强的部位, 有利于卤族元素的外部吸附. 此外, 计算结果还显示, C56X10(X=F, Cl, Br, I)的电负性随着X原子序数的增大而逐渐减弱, C—X基团的电负性因位置的不同而不同.     

A density functional theory study on boundary of “superreduced” transition metal carbonyl anions [M(CO)n] (M=Cr, n=5, 4, 3, z=2, 4, 6; M=Mn, n=5, 4, 3, z=1, 3, 5; M=Fe, n=4, 3, 2, z=2, 4, 6; M=Co, n=4, 3, 2, z=1, 3, 5)

A nonlocal density functional theory (DFT) method has been applied to the calculations on optimized geometry, Mulliken atomic net charges and interatomic Mulliken bond orders as well as total bonding energies (E) in the binary transition metal carbonyl anions with different reduced states [M(CO)_n]^z− (M=Cr, n=5, 4, 3, z=2, 4, 6; M=Mn, n=5, 4, 3, z=1, 3, 5; M=Fe, n=4, 3, 2, z=2, 4, 6; M=Co, n=4, 3, 2, z=1, 3, 5). For comparison of relative stability, a relative stabilization energy D is defined as D=E([M(CO)_n]^z− )-nE(CO). The calculated C-O distances are lengthened monotonously with the increase of the anionic charge, but the M-C distances are significantly lengthened only in the higher reduced states. The relative stabilization energy calculated is a considerable negative value in the lower reduced states, but a larger positive value in the higher reduced states. The DFT calculations show that with the increase of the anionic charge, the Mulliken net charges on the M, C, and O atoms all increase, however, an excess of the anionic charge is mainly located at the central metal atom. The calculated C-O Mulliken bond orders decrease consistently with the increase of the anionic charge, but the M-C bond orders exhibit an irregular behavior. However, the total bond orders calculated clearly explain the higher reduced states to be considerably unstable. From analysis of the calculated results, it is deduced that the stability of the binary transition metal carbonyl anions [M(CO)_n]^z− studied are associated with the coordination number n and the anionic charge z, further, it is possible for the anions studied to be stable if n≥z, conversely, it is impossible when n<z.     

电场对金属串配合物M3(dpa)4Cl2 (M=Co,Rh, Ir; dpa=dipyridylamide)结构的影响

应用密度泛函理论PBE0 方法研究具有分子导线潜在应用的金属串配合物M₃(dpa)₄Cl₂ (1: M=Co, 2: M=Rh, 3: M=Ir; dpa=dipyridylamide)在电场作用下的几何和电子结构. 结果表明: 配合物基态均是二重态. 1和2的M₃⁶⁺金属链形成三中心三电子σ键, 3 中M₃⁶⁺形成三中心四电子σ键且存在弱的δ键. 随金属原子周期数增大其M―M键增强、LUMO与HOMO能隙减小、金属原子的反铁磁耦合减弱以至消失且自旋密度向配体的离域增强. 在Cl4→Cl5 电场作用下, 低电势端的M3－Cl5 键缩短, 高电势端的M2―Cl4 键增长, M―M平均键长略为缩短, M―M键增强, 有利于分子线的电子传递; 分子能量降低, 偶极矩线性增大. 低电势端Cl5的负电荷向高电势端Cl4 转移, 且3 中金属原子的正电荷由高电势端向低电势端的转移较明显, 自旋电子由低电势端向高电势端金属原子移动, 但桥联配体dpa^-与M和Cl 所在的分子轴间没有电荷转移. 电场使LUMO与HOMO能隙减小, 有利于分子的电子输运. 随金属原子周期数增大, 电场作用下M―M平均键长变化减小, LUMO、HOMO的能级交错现象减少.     

(1,3,5-C3P3H3)M与(1,3,5-C3P3H3)2M (M=Ti,V, Cr)配合物的结构与芳香性

运用密度泛函理论研究了(1,3,5-C3P3H3)M和(1,3,5-C3P3H3)2M (M=Ti,V,Cr)的结构、键合能以及芳香性.结果表明:低自旋的(1,3,5-C3P3H3)M和(1,3,5-C3P3H3)2M基态结构分别具有C3v和D3h对称性.金属与配体间为共价作用,二者之间存在σ、π和σ三种成键方式.V的三明治配合物的解离方式与Ti和Cr的三明治配合物不同,前者为分步解离,后两者则为一步解离.其中(1,3,5-C3P3H3)2Cr(D3h)的第一解离能最大,配合物最稳定.这些三明治和半三明治配合物都具有中心芳香性、内芳香性和外芳香性,且中心芳香性均大于自由配体(1,3,5-C3P3H3)的中心芳香性,芳香性主要贡献来源于π键和金属原子的孤对电子.内芳香性按照Ti、V、Cr的顺序依次增大,且内芳香性明显要大于外芳香性.高自旋的半三明治(1,3,5-C3P3H3)Ti(C3,5A1)与单重态(1,3,5-C3P3H3)Ti (C3v,1A1)相比,配体的变形性增大,稳定性增加,且C平面中心芳香性和内芳香性均增大,但P平面的中心芳香性却降低.     

过渡金属氧化物(M2O5)+m=1,2(M=V, Nb, Ta)与C2H4气相反应机理的密度泛函研究

采用密度泛函理论研究了过渡金属钒族氧化物阳离子团簇(M2O5)+m=1,2(M=V, Nb, Ta)与C2H4气相反应机理. 反应为(M2O5)m++C2H4→(M2O5)m-1M2O4++C2H4O, 反应物先化合生成C—O键相连的化合物, 经过过渡态后M—O键断裂, 从而发生氧原子转移到碳氢化合物上的反应. 对于V2O5+与C2H4的反应, 存在经顺式和反式两种过渡态结构路径, 从能量上看, 经反式过渡态结构的路径更有利. 计算结果表明, 发生反应时C2H4与钒氧化物阳离子反应大量放热, 而与铌、钽氧化物阳离子反应却放热较少甚至不放热, 这与实验结果一致. 钒、铌、钽氧化物阳离子团簇发生氧转移反应活性不同的原因是金属-氧键的强弱不同所致.