致密气在α-SiO_2(010)面吸附的第一性原理研究

致密气在砂岩储层中的赋存状态一直是人们研究的热点.为了论证致密气在石英砂岩表面吸附性的强弱,基于密度泛函理论的第一性原理方法,以CH_4分子为主要研究对象,研究了CH_4、C_2H_6、CO_2、N_2分子在α-SiO_2(010)面的吸附性质.结果表明:CH_4、C_2H_6、CO_2、N_2分子在α-SiO_2(010)面的吸附能力从小到大依次为CO_2N_2CH_4C_2H_6,其中CH_4分子在B12位的吸附能最低,为-0.5379 eV,几何结构变化最小,吸附最稳定,是一种物理吸附;烃类气体的吸附性比非烃类的吸附性强;不同高对称位的吸附能变化范围很小,气体在α-SiO_2(010)面的流动性很强;在B12位吸附后,CH_4分子的s态、p态电子密度整体向低能量区域偏移约3.2 eV,而α-SiO_2(010)表面硅原子的电子态密度曲线几乎不变.     

N2在页岩干酪根上的吸附特征

采用密度泛函理论的wB97XD方法、RDG函数方法和counterpoise correction理论,研究氮气在干酪根C₂₈H₁₄O和氮掺杂干酪根C₂₇H₁₄ON上的吸附特征。结果表明：N₂在干酪根上的活性吸附位点为苯环上方中心位置,吸附能在8~10 kJ·mol^-1之间,N₂和干酪根之间的相互作用主要是范德华相互作用和空间排斥作用。氮掺杂改变了干酪根的构型和电子云分布,导致含氮杂环不再是稳定的活性吸附位点,增强了排斥作用,使吸附能略有减小。研究结果对理解干酪根吸附小分子的特征有重要意义,能够为页岩气的开采提供理论支持。     

钛乙烯储氢材料的热力学和动力学性质研究

之前的工作中已经预测了钛乙烯(C_2H_4Ti)储氢的几何结构,本文将继续利用密度泛函理论(DFT)和B_3LYP杂化密度泛函方法来计算之前预测出的C_2H_4Ti(H_2)_n结构中的C_2H_4Ti和H_2反应的焓变和自由能变.通过焓变和自由能变的计算结果,可以看出:钛乙烯在298 K、250 K、200 K下可以稳定的吸附5个氢分子,同时放出大量的热量,生成的C_2H_4Ti(H_2)_n化合物在常温下也具有热力学稳定性.此外,本文通过Gaussian03中的伯恩近似分子动力学(BOMD)方法计算了C_2H_4Ti(H_2)_5化合物在298 K、250 K、200 K三个温度下的动力学性质.通过动力学研究的结果,可以发现钛乙烯分子在常温298 K下储氢时间不长;同时得到钛乙烯分子在200 K下能长时间稳定吸附五个氢分子,这进一步表明降低温度对钛乙烯分子稳定储氢是有利的.     

氙(Xe)原子在铂(Pt)表面吸附与脱附的分子动力论方法研究

运用分子动力论方法研究单原子气体分子(Xe)在固壁表面(Pt)的吸附与脱附。在构造了合理的气体分子与固壁表面相互作用势模型之后,运用随机经典轨道方法求解气体分子及固壁原子的运动方程,得到气体分子的运动轨迹及状态。结果表明,气体分子在固壁表面的吸附几率与分子的入射平动能量、壁面温度及气-固相互作用势模型的选取等因素有关,气体分子在固壁表面的脱附速率基本满足Arrhenius关系式。     

C_2H_x(x=4～6)在Ni(111)表面吸附的DFT研究

采用密度泛函理论与周期平板模型相结合的方法,对物种C_2H_x(x=4～6)在Ni(111)表面的top,fcc,hcp和bridge位的吸附模型进行了结构优化、能量计算,得到了各物种较有利的吸附位;并对最佳吸附位进行密立根电荷和总态密度分析.结果表明:C_2H_6和C_2H_4在Ni(111)表面的最稳定吸附位都是top位,吸附能分别是-36.41和-48.62 kJ·mol~(-1),物种与金属表面吸附较弱;而C_2H_5在Ni(111)表面的最稳定吸附位hcp的吸附能是-100.21 kJ·mol~(-1),物种与金属表面较强;三物种与金属表面之间都有电荷转移,属于化学吸附.     

吸附氢分子的振动态及熵的计算

用第一性原理方法研究了H_2在(MgO)_9及(AlN)_(12)团簇上的吸附态、振动模式及熵.分析表明,吸附体系的振动中有六个简正模式可归为氢分子的振动;由于氢分子质量很小,零点能修正对吸附能有重要影响.利用振动配分函数计算了吸附氢分子的熵,表明吸附态H_2的熵主要决定于较低的同相振动的频率,并不完全与吸附强度相关;在标准大气压下70—350 K的温度范围内,吸附H_2的熵与气态H_2的熵之间存在很好的线性关系,吸附后H_2的熵减小约10.2R.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

用定域轨道可过性技术计算直链共轭大分子

采用从头算方法和集居数定域化技术研究了共轭分子C_(?)H_2,C_(?)H_2,C_4H_(?)及C_6H_8的性质。计算结果表明,直链共轭分子的定域分子轨道和定域Fock矩阵均具有可迁性。据此,以H_3N,C_6H_2及C_6H_8为模型分子,按本文所建议的定域化方案,相应地计算了炔氰(?)C≡C(?)_mCN,共轭炔烃H(?)C≡C(?)_nH及共轭多烯H(?)H=CH(?)_nH等三类同系列分子。以C_8H_2为例,其结果与ab initio结果十分吻合,说明提出的方法是成功的。文中还讨论了这些分子能量的递变规律。     

双轴向应变对单层GeSe气体传感特性的影响

采用第一性原理计算方法,通过在吸附了H_2, H_2O, CO, NH_3, NO, NO_2等气体分子的单层GeSe上施加–8%—8%的双轴向应变,从微观角度阐明应变对吸附体系电子性质的影响及其内在机理.计算结果表明,对于CO, NH_3和NO气体分子在–8%—8%,以及NO_2分子在–8%—6%的双轴向应变范围内,单层GeSe具备成为气体传感器的应用潜力.较大的压缩应变(–6%—–8%)有助于提高单层GeSe对CO和NO气体的响应速度和敏感性.     

气体分子在石墨表面的吸附与扩散特性

采用分子动力学方法模拟研究气体分子在石墨表面上的吸附和扩散特性,结果表明气体分子在石墨表面上的吸附强度跟石墨中碳原子和气体分子之间的微观作用力密切相关,不同分子在石墨表面上的吸附强度不同。气体分子在石墨表面上的吸附特性符合Langmuir等温吸附模型,压力越高吸附层内分子的密度越高。通过分子的表面扩散系数随着压力的增加而降低的现象以及特定时间内分子运动距离的正常概率分布,发现石墨表面上分子的扩散主要由分子之间的碰撞控制,趋近于体相扩散。分子在石墨表面吸附层内的密度对表面扩散系数的影响非常显著,导致吸附性强的CO_2和H_2S分子扩散系数要明显低于吸附性弱的CH_4和N_2分子.     

第一性原理研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面吸附

基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟研究H_2O在CaCO_3(104)表面的吸附特征.首先,研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面的顶位、桥位(短桥位、长桥位)和穴位上垂直和平行表面两种类型下的8种高对称吸附结构模型,结合吸附能和稳定吸附构象确定最优吸附位.而后,基于H_2O/CaCO_3(104)最优吸附结构模型,研究吸附前后H_2O和CaCO_3(104)表面的物理结构、电子结构(Mulliken电荷布居数、态密度、电子局域函数)的特征,分析H_2O/CaCO_3(104)表面之间的相互作用以及成键机理.研究结果:吸附能和体系稳定构象显示H_2O分子/CaCO_3(104)表面的最稳定吸附结构为穴位-平行.在穴位-平行位吸附后,H_2O分子的O-H键长和H-O-H键角均发生改变; CaCO_3晶体平行和垂直(104)表面方向上原子位置均发生改变,表面层变化最大;即吸附作用对H_2O分子和CaCO_3晶体的物理结构均产生较大影响; H_2O/CaCO3(104)最优吸附体系的Mulliken电荷布居数、电子态密度、电子局域函数的研究均说明H_2O分子与CaCO3(104)之间存在电子的转移形成化学键.其中,Ca-O(H_2O)形成离子键,H(H_2O)-O(CaCO_3)之间存在氢键作用.本文研究揭示了方解石表面水湿性的原因,同时为方解石润湿性的深入研究奠定基础.     

异核双卤分子XY(XY=ClF,BrF,BrCl)与C_2H_2相互作用的量子化学研究

在MP2(full)水平上,采用全电子基组,对C_2H_2与XY(XY=Cl F,Br F,Br Cl)相互作用进行了研究.相互作用能在–9.2687 k J/mol至–20.8856 k J/mol之间.自然键轨道(NBO)理论分析显示复合物中电荷转移最多的是C_2H_2…Br F,为0.0319 a.u.;最小的是C_2H_2…Br Cl,为0.0164 a.u..分子中的原子(AIM)理论分析表明复合物中Y…π键的性质与氢键类似.对称匹配微扰理论(SAPT)能量分解显示三个复合物中静电能和诱导能占相互作用能的主体,二者占到总吸引能的70%以上,其中静电作用最大,占超过50%,色散作用最小.     

活性质吸附氢修饰金刚石表面的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建了不同活性质吸附氢修饰和氧修饰金刚石(100)表面,计算了氢修饰和氧修饰金刚石(100)表面吸附体系的平衡态几何构型和态密度.结果表明,氢修饰金刚石表面与H_3O~+离子间具有较强的相互作用,在费米能级附近出现浅受主能级,电荷会发生从氢修饰金刚石表面向吸附H_3O~+离子迁移,从而呈现p型导电性;当吸附物为H_3O~+离子和H_2O分子混合吸附时,能带结构发生改变,但是其导电性并没有发生变化.相比之下,含水分子和H_3O~+离子的吸附物在氧修饰金刚石表面将发生分解,不能稳定存在,吸附体系仍呈现绝缘性质.     

硒化锗纳米片在氧气和丁烷气体中的电导性能

利用机械剥离和高温减薄方法制备了厚度约为5 nm的GeSe纳米片,并通过设计实验装置测试了GeSe纳米片在不同浓度氧气(O_2)和丁烷(C_4H_(10))气体中的电导性能.结果表明,随着氧气浓度的增加, GeSe纳米片在相同电压下所测得的电流增大,而在丁烷气体中所测得的电流减小.通过第一性原理计算发现,O_2分子从GeSe获得电子.气体浓度越大, P型半导体GeSe主要载流子空穴的浓度也越大,从而电导率增大.当GeSe吸附丁烷气体时,随着丁烷气体浓度的增加,相同电压下电导率减小.其原因可归结为GeSe薄膜器件在加工过程中从空气中吸附了O_2分子,由于薄膜中存在较高密度的Se空位,导致O_2的高密度吸附.从而导致在吸附还原性气体时,丁烷气体易失电子.即电子从丁烷气体分子中转移到GeSe薄膜表面与空穴中和,降低了GeSe薄膜中的载流子空穴浓度,从而降低电导率.本文的研究有助于GeSe纳米片在氧气和丁烷气中的光电器件应用.     

卤化钠对丙二酸气溶胶颗粒水溶特性影响机理研究

大气中水蒸气会影响气溶胶颗粒的生长演化动力学特性,从而改变其环境效应。当前,对包含有机组分气溶胶颗粒与水相互作用机理的认识还很局限.本文建立了纯有机气溶胶和有机-无机混合气溶胶颗粒水溶特性研究分子动力学模型,分别模拟了不同温度条件下不同卤化钠盐(NaI/NaCl/NaF)对丙二酸(C_3H_4O_4)团簇水溶特性的影响情况。重点分析了各影响因素作用下团簇结构和气粒界面特性。结果表明,温度升高,C_3H_4O_4-H_2O团簇相继出现分层结构和混合结构,加入40个卤化钠分子后,水分子对初始团簇溶解程度的排序为40 NaF40 NaCl0 NaX40 NaI,且差异随着温度的升高而变大。高温(T=300 K)时,各种团簇的表面均包含C_3H_4O_4分子和H_2O分子,且C_3H_4O_4分子的疏水基朝向气相一侧.     

几种外场对费米共振的影响:费米共振的拉曼光谱研究

费米共振是分子内和分子间发生的基团间的振动耦合和能量转移现象。有关外场中费米共振的认识、拉曼光谱的研究方法及应用均待开发和推广。本文系统阐述了利用高压DAC技术、变温技术特别是课题组独创的变换溶剂浓度、LCOF等方法获得的有关费米共振的研究成果,即分子场、压力场、温度场等外场对分子内和分子间费米共振的影响:(1)分子场中a.由C_5H_5N在CH_3OH和H_2O中拉曼光谱变化研究表明溶剂效应对费米共振有明显影响;b.通过改变溶液浓度发现了其他方法未能发现的费米共振双线对非对称移动及双线对中倍频的基频亦受费米共振调谐的现象;c.溶液中的氢键、反氢键使分子基团重组而对费米共振产生显著影响;d.C_7H_8和m-C_8H_(105分子间发生会费米共振,且费米共振特性随溶液浓度明显改变;(2)压力场中a.随压强增加谱线蓝移,且频差△随压强改变而引起W改变;b.随压强增加CCl_4在C_6H_6中的v_1+v_4~v_3的W减小速度比纯液体中快,费米共振消失提前。这表明,压强引起的费米共振现象可揭示溶剂效应机理;(3)温度场中温度会影响分子费米共振特性,且对不同分子影响亦不同,温度对CO_2的费米共振影响较大,而对CS_2几乎无影响。本文对分子谱线的认证与归属、分子构象的确定及异构体的鉴别、氢键对分子结构与性质的影响等方面的研究提供了系统的理论与实验依据。     

大气压甲烷针-板放电等离子体中粒子密度和反应路径的数值模拟

甲烷针-板放电与重油加氢耦合形成甲烷转化重油加氢,可实现重油高效加氢并增产高附加值低碳烯烃,有实践应用前景和科学研究意义.建立二维流体模型,对大气压甲烷针-板放电等离子体进行数值模拟,得到电场强度、电子温度和粒子密度的空间与轴向分布,总结反应产额并提炼生成各种带电和中性粒子的关键路径.模拟结果表明,CH_3~+和CH_4~+密度与电场强度和电子温度的轴向演化接近且密切相关;CH_5~+和C_2H_5~+密度沿轴向先增大后减小;CH_3与H密度的空间和轴向分布几乎相同;CH_2,C_2H_4与C_2H_5的粒子密度分布在靠近阴极的区域内明显不同而在正柱区内较为相像;电子与CH_4发生电子碰撞电离生成的CH_3~+和CH_4~+,CH_3~+和CH_4~+分别与CH_4发生分子碰撞解离生成C_2H_5~+和CH_5~+;电子与CH_4间的电子碰撞分解是生成CH_3,CH_2,CH和H的主导反应;CH_2与CH_4和电子与C_2H_4发生的反应分别是生成C_2H_4和C_2H_2的关键路径;电子与CH_4间的电子碰撞分解反应和CH_2与CH_4发生的反应的产额各占H_2总产额的52.15%和47.85%.     

2-甲基-2-丙烯-1-醇的光电离解离研究

利用可调谐真空紫外同步辐射和分子束实验装置在8.0～15.5 eV的光子能量范围内,研究2-甲基-2-内烯-1-醇的光电离解离.测出母体离子和碎片离子:C_4H_8O~+、C_4H_7O~+、C_3H_5O~+、C_4H_7~+、C_4H_6~+、C_4H_5~+、C_2H_4O~+、C_2H_3O~+、C_3H_6~+、C_3H_5~+、C_3H_3~+、CH_3O~+和CHO~+的光电离效率曲线,并获得母体分子的电离能和碎片离子的实验出现势.在B3LYP/6-31+G(d,p)理论水平上,计算光电离过程中母体分子、过渡态和中间体的稳定结构.采用CCSD(T)/cc-pVTZ耦合簇方法计算零点能,得到母体电离能和碎片离子的出现势.通过实验和理论研究,提出2-甲基-2-丙烯-1-醇的光解离路径,分子内氢转移是其中大部分解离途径中的主要过程.     

气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO₂和Cl₂的能力,着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明：不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO₂和Cl₂分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间,其中Si₂₄Ge₃₆H₃₂对CO₂气体的吸附能最大,气敏性能最好.能带结构计算表明：吸附CO和CO₂分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小,带隙变化较小;而吸附Cl₂分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明：Si₂₄Ge₃₆H₃₂纳米线吸附CO, CO₂和Cl₂分子后的光学...     

沸石分子筛对CH_4/H_2的吸附与分离性能

基于分子模拟的高通量计算方法,通过对199个沸石结构特征和吸附分离性能之间的关联性研究,发现具有超微孔结构的沸石材料对CH_4分子有良好的吸附分离性能,等摩尔CH_4/H_2混合组份的CH_4吸附选择性和单组份的CH_4吸附量之间存在明显的线性关系.通过使用巨正则蒙特卡罗模拟方法,获得了 3个孔道形沸石对CH_4和H_2的吸附等温线和等量吸附热等物理量.结果表明在相同外界环境下,孔道形沸石的孔结构(表面积和孔体积)对CH_4吸附量的影响高于能量效应(吸附热).结合甲烷蒸汽重整制氢的工业背景,进一步研究了 CH_4/H_2混合体系在不同组份下的分离选择性能,结果表明,超微孔沸石材料对CH_4的吸附选择性与体相压力和进料比无关.通过气体分子的质心分布密度发现,CH_4在孔道形沸石中优先占据更小孔窗的空间,而H_2的分布范围更大但是未存在明显的优先吸附位点.