Sn_mO_n(m=1～3,n=1～2m)系列团簇的结构和电子性质

基于密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)系统地研究了Snm On(m=1~3,n=1~2m)团簇的几何结构和电子性质.当m=n时,团簇的基态结构为Sn和O原子彼此相邻的环形结构,当nm时,团簇易于形成链状结构.研究发现:氧化锡团簇的物理和化学特性类似于氧化硅,主要表现为非金属性.对分裂途径、分裂能和能隙(HOMO-LUMO Gap)进行了研究,结果表明类氧化锡(Snm Om)、Sn2O3和Sn3O4团簇具有很好的稳定性,可以作为构建团簇聚合物材料的基本单元.而且,氧化锡团簇的稳定性主要与其组成成分和结构有关,与团簇大小无关.     

(XY)12(X=B,Al;Y=P)团簇的结构与稳定性

采用B3LYP／6031G*方法,对(XY)12(X=B,Al;Y=P)笼状团簇的同分异构体进行优化,筛选出能量最低的构型．讨论它们的几何构型、HOMO-LUMO能隙、生成焓、核独立化学位移(NICS)和自由能．得到(BP)12和(AlP)12团簇的最稳定构型均为具有Th对称性的四、六元环组成的笼,亚稳态结构中含有五元环。     

(MN)nHm(M=Ga,In; n=1-4; m=1, 2)团簇的结构与稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-31G**和Lanl2dz水平上分别对(MN)nHm(M=Ga, In; n=1-4; m=1, 2)进行了优化和振动频率计算. 得到了上述团簇的最稳定构型、H原子的结合能以及它们的能隙. 结果表明, (MN)nH(M=Ga, In; n=1-4)的基态构型均为双重态, (MN)nH2(M=Ga, In; n=1-4)的基态构型均为单重态; 当氢的个数为1时, 加在N原子上比加在M(M=Ga, In)原子上稳定, 如有N3单元, 那么加在N3单元两侧的构型是相同的, 且它是最稳定的; 当氢的个数为2时, 除n=1外, 分别加在两个N原子上的构型是最稳定的, 如有N3单元, 那么分别加在N3单元分离最远的两个N原子的构型是最稳定的. GaNH、(GaN)3H 和InNH的结合能和能隙都很大, 说明这些团簇都有很高的稳定性.     

第一原理对AlPm和AlPm-(m = 2～9)团簇结构与稳定性的研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-311G*水平上对AlPm和AlPm(m = 2～9)团簇的几何构型,电子结构和振动频率等性质进行了理论研究,给出了一种以Pm团簇作为设计AlPm类结构的母体,考虑在不同位置上结合Al原子的结构,可以较快找到AlPm类团簇基态结构的方法. 通过对基态结构的第一离解能和能量二次差分讨论,得到m为奇数的AlPm团簇比m为偶数的稳定,对基态结构的HOMO-LUMO能隙和绝热电子亲合势的讨论表明,AlP3,AlP5和AlP7团簇结构较稳定.     

乙醇-水分子团簇C2H5OH(H2O)n (n=1-9)稳定结构的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法, 在B3LYP/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对乙醇-水分子团簇(C₂H₅OH(H₂O)_n (n=1-9))的各种性质进行研究, 如: 优化的几何构型、结构参数、氢键、结合能、平均氢键强度、自然键轨道(NBO)电荷分布、团簇的生长规律等. 结果表明, 从二维(2-D)环状结构到三维(3-D)笼状结构的过渡出现在n=5的乙醇-水分子团簇中. 此外, 利用团簇结合能的二阶差分、形成能、能隙等性质, 发现在n=6时乙醇-水分子团簇的最低能量结构稳定性较好, 可能为幻数结构. 最后, 为了进一步探讨氢键本质, 将C₂H₅OH(H₂O)_n (n=2-9)最低能量结构的各种性质与纯水分子团簇(H₂O)_n (n=3-10)比较, 结果表明前者与后者中的水分子之间氢键相似.     

硅氧团簇(SiO2)nO2H4的密度泛函理论研究

提出硅氧团簇(SiO2)nO2H4的两种新构型: 基于笼状结构和环状结构的构型, 并与链状构型相比较, 用密度泛函理论的B3LYP方法在6-31G(d)基组水平上计算了三种构型n=2～22(n取偶数)的几何结构、平均结合能、能隙以及能量的二次差分. 分析计算结果发现, 笼状构型不但在n=4和8处存在幻数团簇(实验上已经观察到), 而且预测在n=14处也存在类似的幻数团簇; 此外, 与(SiO2)n团簇不同的是, (SiO2)nO2H4团簇的环状构型的稳定性从n=4开始大于链状构型, 意味着水的加成对硅氧团簇的稳定性有着重要的影响.     

用密度泛函理论研究ZrnB(n=1-13)团簇的结构及性质

利用密度泛函理论, 得到了ZrnB(n=1-13)团簇的基态结构, 计算并讨论了团簇能量的二阶差分和离解能. 结果表明, n=2, 5, 12时, 相应团簇较稳定, 特别是Zr5B团簇的稳定性最高. 同时分析了ZrnB团簇的电子性质及磁性, 结果显示能隙随n值的增大出现奇偶振荡趋势, 特别是Zr12B团簇的能隙只有0.015 eV, 表明该团簇已具有金属性. 电荷转移随n值增大, 整体呈增大趋势, 除了二聚体ZrB, 电荷由B原子转移到Zr原子. 利用Mulliken布居分析得到二聚体ZrB(5.000 μB)和团簇Zr4B(3.000 μB)的磁矩较大, ZrnB团簇中总磁矩主要来自Zr原子的4d轨道.     

CnAl (n=2-11)团簇的结构特征与稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-311++G**水平上对CnAl(n=2-11)团簇的几何构型和电子结构进行了结构优化和振动频率计算. 结果表明, n=2的CnAl团簇基态结构为Al原子与两个C原子相连形成的环状结构, n=3-11均为Al原子端基配位的线状结构. 通过对基态结构的能量分析, 得到了n为偶数的CnAl团簇比n为奇数团族稳定的结论.     

Au@Gen (n=2-9)团簇的几何结构和电子性质的理论研究

本文选用密度泛函B3LYP方法在Lan L2DZ基组上对Au Gen+(n=2~9)团簇的几何结构和电子性质进行了理论研究,其中包括结构优化、平均键能、HOMO-LUMO能隙和电荷转移等。结果表明,随着锗原子数的不断增加,这些掺杂团簇逐渐形成了三维立体结构,并发现Au Ge7+和Au Ge9+两个掺杂团簇是相对稳定的,而且这些掺杂团簇的电荷转移主要是由金原子到锗原子骨架上。此外,还模拟了这些掺杂团簇的红外光谱,为以后实验研究提供有价值的理论参考。     

(AlN)+n和(AlN)-n(n=1～15)团簇的结构与稳定性

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-31G*水平上,对(AlN)+n和(AlN)-n(n=1～15)团簇的几何构型、红外光谱和热力学稳定性进行了研究,并对它们的电离能及电子亲和能进行了讨论.结果表明:(AlN)n团簇的电荷状态对簇合物的结构有较大影响,随着n的增大影响逐渐减小;所有平衡结构中不存在Al-Al和N-N键,Al-N键是惟一键型;(AlN)+n和(AlN)-n结构稳定性幻数与(AlN)n相同,即n=2,4,6,…等偶数结构较为稳定;(A1N)10团簇具有最大的电离能(IP=9.14 eV)和最小的电子亲和能(EA=0.19eV),较其他团簇更稳定.     

(XY)12 (X═B, Al; Y═P)团簇的结构与稳定性

采用B3LYP/6-31G*方法, 对(XY)₁₂ (X═B, Al; Y═P)笼状团簇的同分异构体进行优化, 筛选出能量最低的构型. 讨论它们的几何构型、HOMO-LUMO能隙、生成焓、核独立化学位移(NICS)和自由能. 得到(BP)₁₂和(AlP)₁₂团簇的最稳定构型均为具有T_h对称性的四、六元环组成的笼, 亚稳态结构中含有五元环.     

(Al16Ti)n± (n=0-3)离子团簇中Ti原子对电子结构及其与H2O分子相互作用的显著影响

用密度泛函理论结合全电子自旋极化方法构建并优化出了最稳定的(Al₁₆Ti)^n± (n=0-3)离子团簇, 研究了其几何结构、稳定性和电子结构. 同时研究了水分子在(Al₁₆Ti)^n± (n=0-3)离子团簇表面的吸附结构和吸附能. 研究结果与纯(Al₁₇Ti)^n± (n=0-3)离子团簇的电子结构及其与H₂O分子的相互作用规律做了对比. 通过电子最高占据轨道和最低空轨道的空间分布, 发现大部分的活性电子占据在Ti 原子位置, 少量电子根据曲率从大到小的顺序依次占据. 通过分析最稳定的(Al₁₆TiH₂O)^n± (n=0-3)吸附化合物的几何结构可以看出, 水分子都倾向于吸附在Ti原子上, 并且为亲氧吸附. 在所有的吸附化合物中, (Al₁₆TiH₂O)⁺具有最短的平均O―H键长, 比孤立H₂O分子中的O―H键约长0.0003 nm, 然后随着电子数的增加或减少, O―H键都会进一步被拉长. 研究结果表明, Al 团簇离子中Ti 原子的掺杂可以有效提高H₂O分子的解离效率. 另外, 在金属团簇的几何结构效应与杂质效应共同出现时, 杂质的影响占据了主导地位.     

(Mg3N2)n(n=1～4)团簇结构与性质的密度泛函研究

用密度泛函理论(DFT)的杂化密度泛函B3LYP方法在6-31G*基组水平上对(Mg3N2)n(n=1～4)团簇各种可能的构型进行几何结构优化,预测了各团簇的最稳定结构.并对最稳定结构的振动特性、成键特性、电荷特性和稳定性等进行了理论分析.结果表明:(Mg3N2)n=1～4团簇易形成笼状结构,其最稳定构型中N原子配位数以3、4较多见;团簇主要由Mg-N键组成,Mg-N键长为0.194～0.218nm,Mg-Mg 键长为0.262～0.298 nm;N原子的平均自然电荷为-2.06 e,Mg原子的平均自然电荷为 1.37 e;(Mg3N2)2团簇有相对较高的动力学稳定性.     

第一原理对AIPm和AIPm^-（m=2～9）团簇结构与稳定性的研究

用密度泛函理论(DFF)的B3LYP方法，在6-311G^ 水平上对AIPm和AIPm^-(m=2～9)团簇的几何构型，电子结构和振动频率等性质进行了理论研究，给出了一种以P朋团簇作为设计AIPm类结构的母体，考虑在不同位置上结合Al原子的结构，可以较快找到AIPm类团簇基态结构的方法．通过对基态结构的第一离解能和能量二次差分讨论，得到m为奇数的AIPm团簇比m为偶数的稳定，对基态结构的HOMO-LUMO能隙和绝热电子亲合势的讨论表明，AIP3^-，AIP5和AIP7团簇结构较稳定。     

CnAl2 (n=1-10)团簇的结构特征与稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-311G*水平上对CnAl2 (n=1-10)团簇的几何构型和电子结构进行了结构优化和振动频率计算. 结果表明, 富铝的CAl2团簇基态结构为折线型面状结构, 多碳和双聚体的CnAl2团簇基态结构均为Al原子端基配位的线状结构. 通过对基态结构的能量分析, 得到了n为偶数的CnAl2团簇比n为奇数稳定的结论.     

CO与Pdn(n=1-8)团簇的相互作用

采用密度泛函理论对CO与钯团簇的相互作用进行了系统研究. 结果表明, PdnCO(n=1-8)体系的最低能量结构是在Pdn(n=1-8)团簇最低能量结构或亚稳态结构的基础上吸附CO生长而成; CO的吸附以端位吸附为主, 其吸附没有改变Pdn团簇的结构; CO分子在Pdn团簇表面发生的是非解离性吸附. 与优化的CO键长(0.1166 nm)相比, 除了n=2, 团簇PdnCO的C—O键长为0.1167-0.1168 nm, 吸附后C—O键长变化较小, CO分子被活化程度较小. 电荷集居数分析表明, CO的吸附对Pdn团簇的影响比较小; 二阶能量差分表明, n=4,6的团簇是相对稳定的团簇.     

Pdn(n=1-7)团簇及其与甲烷相互作用的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 对Pdn(n=1-7)团簇的几何结构、振动频率及其与甲烷分子间的相互作用进行了理论研究. 结果表明, 随着Pd原子数增多, 团簇结构对团簇大小的依赖性减弱, 结构参数向金属晶体趋近. 在Pdn(n=1-7)团簇上, 甲烷的表面吸附作用较弱. Pd2CH4中, 甲烷受到两个Pd原子的活化作用, 活化程度增强, 吸附能增大. 在PdnCH4 (n=1, 3-7)体系中, 甲烷的吸附能随着团簇模型的增大而减小, 趋近于其在金属晶面上的吸附能.     

包含两个平面五配位碳原子C_(2+n)B_(10-n)(n=0～10)团簇的结构的理论研究

采用B3LYP/6-311+G**方法,我们优化了初始构型中包含两个平面五配位碳原子(ppCs)的C2+nB10-n(n=0～10)团簇的结构并计算了它们的振动频率.计算结果表明,C2+nB10-n(n=0～2)团簇是稳定的,而且这三个结构中ppC—B键的Wiberg键级介于0.511～0.909之间,ppC—C键的Wiberg键级为0.2254(n=1)和0.8586(n=2),ppC的键级介于3.778到3.879之间,即这三个结构中存在两个ppCs,而且ppC遵循八隅规则;C2+nB10-n(n=3～6)团簇的最稳定结构包含一个ppC;C2+nB10-n(n6)团簇能量最低结构中不存在ppC.而且只有团簇C2+nB10-n(n=0～2)中没有悬键,它们的π电子数分别为:6,7和8,计算它们的NICS(0)值表明强芳香性一般位于局部的三元环中心,表明局部离域有利于平面结构的形成.C2+nB10-n(n=0～2)团簇的第一垂直激发能分别为:1.91,0.56和3.12eV.     

InnNa和InnNa+(n=2-8)的团簇结构和电子性质

在密度泛函理论B3LYP水平上, 对InnNa和InnNa+(n=2-8)团簇进行了结构优化和振动频率计算. 计算结果表明, InnNa(n=2、3、4、6)最稳定结构中的对称性分别为C2v、C3v、C4v和C2v, 而InnNa(n=5、7、8)的最稳定结构的对称性为C1点群. 从InnNa(n=4-8)的最稳定结构可以看出, Na原子均位于四个In原子形成的四边形面上. 对于InnNa+(n=2-8), 除了In2Na+、In4Na+和In7Na+, 其它结构都与其中性结构相似. 进一步计算InnNa(n=2-8)团簇的平均结合能、能量的二阶差分以及绝热电离能表明, InnNa(n=2-8)团簇能量的二阶差分呈现奇偶交替特征, In4Na和In6Na较其它团簇更为稳定, 而且理论计算得到的绝热电离能和实验结果吻合得很好.     

(BN)_n团簇的结构和稳定性

用HF方法、密度泛函理论的B3LYP以及微扰理论的MP2方法 ,在 6 3 1G(d)基组水平上 ,对 (BN) n(n =1～ 16)团簇的各种可能结构进行了优化 .讨论了环状与笼状稳定团簇的几何构型、自然键轨道 (NBO)、振动频率、结合能、核独立化学位移 (NICS)和能量二次差分 ,得到了 (BN) n(n =1～ 16)团簇结构的稳定性信息 .比较了HF ,B3LYP以及MP2三种理论方法对(BN) n 团簇的适应性所表现出的差异 .