离子液中溶剂化电子的结构及其演化动力学

本文综述了离子型液体介质中过剩电子的结构、存在状态及其时间演化动力学特征。基于从头算分子动力学模拟及计算结果,重点阐述了咪唑型、吡啶型、碱金属离子型熔盐氯化物离子液中与过剩电子溶剂化密切相关的溶剂化能量学、结构特征、可能的存在状态以及态-态转化稳态动力学机制,分析了此类离子型介质中电子高效传导的内在本质及离子液组成离子的重要作用。阳离子的最低未占轨道组成的导带结构是离子液中过剩电子的溶剂化态及其稳定性的决定因素,任何能影响或改变其导带结构的因素均能显著影响过剩电子溶剂化。但快速的态-态转化及电子迁移并不明显取决于其组成离子扩散动力学,而是敏感地受离子液涨落所控制。这种基于溶剂化电子的迁移模式构成了此类离子型介质甚至其它液态介质中电子转移的新途径。     

稀土无机发光材料:电子结构、光学性能和生物应用

目前,稀土无机发光材料在激光、光通讯、平板显示、荧光生物标记和纳米光电子器件等领域具有广泛的应用前景.稀土离子(从Ce到Yb)是一类性能优异的结构和光谱探针,其在不同介质材料中的光学性能主要取决于其局域态的电子结构和激发态动力学.对稀土发光材料开展深入的光学和光电子学基础研究有助于发现新颖的光学性能或开辟新的应用领域.依托研制的低温高分辨激光光谱和上转换量子产率等仪器,本课题组致力于稀土无机发光材料电子结构与性能研究,近年来在发光材料的控制合成、电子结构、光学性能及生物应用等方面取得了系列重要结果.这些研究有望加快实现稀土无机发光材料在生物应用的突破,实现稀土资源的高值利用.     

二氯二氰基苯醌及其阴离子自交换电子转移反应的理论研究

基于非平衡溶剂化能的约束平衡方法和溶剂重组能的新表达式, 实现了电子转移反应溶剂重组能的数值解, 研究了二氯二氰基苯醌(DDQ)及其阴离子体系DDQ-之间的自交换电子转移反应. 考虑了DDQ与DDQ-分子以平行方式形成受体-给体络合物时的两种构型. 引入线性反应坐标, 计算了该反应在不同溶剂中的溶剂重组能. 基于两态变分模型得到了反应的电子耦合矩阵元. 根据电子转移动力学模型, 计算了该自交换电子转移反应的速率常数.     

离子对内电子转移型染料阴离子-鎓盐阳离子光敏体系中的溶剂效应和结构效应

本文研究了溶剂效应和结构效应对染料碘(钅翁)盐光物理,光化学性质的影响.观察到在溶剂中离子对可以各种形式存在,如紧密离子对、溶剂分隔离子对或溶剂化的自由离子.溶剂的极性不仅影响各种存在形式的光谱性质,而且影响它们之间的平衡关系,进而影响离子对体系的物理化学性质.染料母核和碘(钅翁)阳离子的结构均对离子对体系的性质有影响.光诱导电子转移反应的热力学驱动力越大,反应速度越快.用分子模拟技术(Molecular Modeling)对离子对体系的立体结构进行了研究,为理解离子对体系的各种物理化学行为提供了重要的参考.     

可见光敏引发体系荧光黄双二苯基碘钅翁盐的研究

通过计算呫吨染料与二苯基碘钅翁盐反应的电子转移参数, 发现荧光黄与二苯基碘钅翁盐反应的热力学驱动力最大, 证明了实现光敏化方式是电子转移反应. 通过对引发体系吸收光谱的研究, 考察了不同价键结构、溶剂效应及引发剂浓度对引发体系吸收光谱的影响, 证实了与C-6位酚氧离子相结合的离子种类很大程度上决定了染料敏化体系的吸收峰强度及峰形状, 溶剂极性增大, 吸收光谱红移; 溶剂极性减小, 其吸收光谱蓝移. 在非极性溶剂中, 引发剂浓度越高, 其解离度越大, 引发剂更多地以自由离子形式存在.     

饱和、不饱和(N-杂环化)低聚硅烷的结构和光谱性质

用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对线型(饱和N-杂环化)和(苯并N-杂环化)低聚硅烷的电子结构和吸收光谱性质以及溶剂效应进行了比较研究.对各体系的基态电子结构在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了全优化,讨论了电荷分布和前线分子轨道性质.在获得基态稳定构型的基础上,用B3LYP/6-311+G(d)方法计算了电子吸收光谱的性质,探讨了主链的线型增长和溶剂对电子吸收光谱的影响.结果表明,随着主链的增长,低聚硅烷的电子结构发生明显扭曲,在(苯并N-杂环化)聚硅烷中形成了邻近苯并N-杂环之间π-π堆积作用,有利于结构的稳定.两类低聚硅烷的吸收光谱都随着主链的增长而发生明显的红移,(苯并N-杂环化)聚硅烷最大吸收光谱红移幅度要比(饱和N-杂环化)聚硅烷大得多.溶剂效应使得光谱略向短波长移动,溶剂的极性改变对吸收波长的影响不明显.     

芳烃硝化中的NO_2~++NO→NO_2+NO~+电子转移

用电子转移半经典理论,在谐振势近似下,导出交叉反应电子转移的动力学模型,在UHF/6-31G基组水平上,优化电子转移NO_2~++NO→NO_2+NO~+的碰撞络合物结构,用线性反应坐标研究了电子转移反应的透热势能面,反应活化能,电子转移矩阵元等动力学参量,对此交叉反应及相应的自交换反应体系NO_2~+/NO_2和NO~+/NO作动力学计算,得这3个基元步骤的活化能分别为81.4,128.8,和39.3KJ·mol~1.用过渡态结构参数估算溶剂重组对活化能的贡献,计算了300K时的速率常数.高的活化能垒可能影响NO_2~+在芳烃硝化中作为氧化剂的反应活性.     

离子对内电子转移型染料阴离子-翁盐阳离子光敏体系中的溶剂效应和结构效应

本文研究了溶剂效应和结构效应对染料碘翁盐光物理, 光化学性质的影响。观察到在溶剂中离子对可以各种形式存在, 如紧密离子对、溶剂分隔离子对或溶剂化的自由离子, 溶剂的极性不仅影响各种存在形式的光谱性质, 而且影响它们之间的平衡关系, 进而影响离子对体系的物理化学性质。染料母核和碘翁阳离子的结构均对离子对体系的性质有影响。光诱导电子转移反应的热力学驱动力越大, 反应速度越快。用分子模拟技术(Molecular Modeling)对离子对体系的立体结构进行了研究, 为理解离子对体系的各种物理化学行为提供了重要的参考。     

光捕获树枝形聚合物体系能量传递和电子转移研究进展

树枝形聚合物是一类围绕着中心核,外围链段和官能团呈指数增长的支化高分子.合成方法的发展使发色团可被精确地置于树枝形聚合物的核心、外围甚至支化节点处.树枝形聚合物的特殊结构使其作为模拟光捕获体系被广泛研究.光诱导电子转移和能量传递是光合作用中的重要过程,研究树枝形聚合物体系中的电子转移和能量传递对未来树枝形聚合物在光电器件中的应用有着重要意义.本文综述了近年来光捕获树枝形聚合物体系的研究进展,并重点介绍光捕获树枝形聚合物体系中的能量传递和电子转移过程研究.     

离子对内电子转移型染料阴离子-翁盐阳离子光敏体系中的溶剂效应和结构效应

本文研究了溶剂效应和结构效应对染料碘翁盐光物理, 光化学性质的影响。观察到在溶剂中离子对可以各种形式存在, 如紧密离子对、溶剂分隔离子对或溶剂化的自由离子, 溶剂的极性不仅影响各种存在形式的光谱性质, 而且影响它们之间的平衡关系, 进而影响离子对体系的物理化学性质。染料母核和碘翁阳离子的结构均对离子对体系的性质有影响。光诱导电子转移反应的热力学驱动力越大, 反应速度越快。用分子模拟技术(Molecular Modeling)对离子对体系的立体结构进行了研究, 为理解离子对体系的各种物理化学行为提供了重要的参考。     

含酪氨酸和色氨酸的肽内电子转移的溶剂重组能计算

基于连续介质模型，本文考察了多肽体系Trp-(Pro)n-Tyr (n=1,2) 从酪氨酸到色氨酸的分子内电子转移，并根据电荷定域的反应物和产物构型和线性反应坐标近似构造了电子转移的双势阱，通过势能曲线的交叉点确定了电子转移过渡态。本文重点讨论了电子转移溶剂重组能。根据作者的非平衡溶剂化理论和可极化连续介质模型编写了溶剂重组能计算程序并用于本文体系的计算。计算得到Trp-Pro-Tyr 和Trp-(Pro)2-Tyr.体系的溶剂重组能分别为20.89 kcal/mol和25.30 kcal/mol.     

EC和PC基溶剂化锂离子单电子还原机理的理论研究

锂离子电池电解液中溶剂化锂离子的还原反应对研究碳负极与电解液相界面相互作用、预测SEI膜形成机理至关重要。本文通过密度泛函方法(DFT)对EC和PC基电解液溶剂化锂离子得电子前后的结构信息、AIM、轨道等进行深入分析,利用过渡态和IRC理论研究EC和PC基电解液单电子还原反应历程。计算表明,PC溶剂化的Li+体系更加稳定,容易插入碳层使其粉化,EC溶剂化的Li+则更易得到电子,发生单电子还原反应。通过探讨Li+(EC)n和Li+(PC)n(n=1~4)还原反应历程中电子结构的变化,推测EC和PC单电子还原形成阴离子自由基的新历程。该历程能够更加合理地解释有机电解液在碳负极表面结合电子形成SEI膜的过程,为电解液的设计和选取提供理论基础。     

全共轭聚噻吩类和聚硒吩类嵌段共聚物的凝聚态结构调控

嵌段共聚物可发生微相分离形成丰富的介观尺度上的相结构,而共轭聚合物是一类具有特殊的力学、导电性能或光电功能的半刚性链高分子.全共轭嵌段共聚物因其兼具两者的特性而备受瞩目.本文着重介绍了近年来课题组在基于全共轭聚(3-烷基噻吩)和聚(3-烷基硒吩)嵌段共聚物体系的研究进展,通过改变体系的分子结构包括主侧链结构、侧链的烷基长度及取代基团等以及对体系在溶液状态及薄膜状态进行后处理包括改变溶剂、热处理、溶剂蒸气处理等来调控体系的微相分离行为和结晶行为,实现对材料凝聚态结构的调控.在此基础上,以有机场效应晶体管和聚合物太阳能电池器件作为最终体现聚噻吩或聚硒吩类体系凝聚态结构与性能关系的平台,将获得的调控体系凝聚态结构的有效策略用于实现其半导体材料物理性能的提升.     

单电子卤键复合体系H_3C…Br—Y(Y=H,CN,NC,CCH,C_2H_3)的作用机制

对单电子溴键复合物H3C…Br—Y(Y=H,CCH,CN,NC,C2H3)的结构与性质进行了理论研究.在B3LYP/6-311++G**水平上计算了稳定构型并做了频率分析.BSSE矫正的相互作用能(EBSSE)和NBO及AIM分析输入的波函数在MP2/6-311++G**水平下完成.复合物H3C…Br—Y中,CH3(供电子体)自由基均提供一未成对电子与Br—Y中Br(受电子体)形成了单电子溴键,此单电子溴键也具有三电子键的特征.单电子溴键的形成导致甲基H的背向Y弯曲和Br—Y键的拉长及红移单电子溴键复合物的产生.考察了电子受体中不同取代基,C(spn)-Br杂化及溶剂的存在对复合物作用的影响,将单电子氢键,单电子卤键和单电子锂键的作用强度做了对比,进一步对Popelier提出的氢键体系中的前三个重要拓扑指标在单电子溴键体系中的重现性进行了探讨.     

非平衡溶剂化的连续介质模型和超快过程溶剂效应

在连续介质理论基础上, 根据Jackson的能量积分公式导出非平衡态静电自由能和溶剂化能的正确表达式. 引入“弹簧能”概念, 对平衡态和非平衡态的静电能构成给出了合理解释, 即此能量由溶质自由电荷和溶剂极化电荷的自能、 两者之间的相互作用能和极化电荷的“弹簧能”构成. 对目前几种代表性的非平衡溶剂化理论进行了论证和比较, 指出其中存在的基本理论问题. 根据新的非平衡溶剂化能建立了电子转移反应溶剂重组能的双球模型、 光谱移动的单球孔穴点偶极模型, 多级展开方法和非平衡溶剂效应的数值解方法.在Poisson方程求解中引入类导体屏蔽模型, 建立了任意孔穴极化电荷数值解方法并应用到Closs-Miller电子转移体系, 得到与实验值吻合的溶剂重组能, 解决了传统非平衡溶剂化理论高估溶剂重组能的问题.     

高效金属双卟啉染料的计算设计及其敏化TiO2半导体复合体系的理论研究

基于广泛的密度泛函理论计算,理论上设计并表征了一类新型的金属双卟啉染料.这些新型的卟啉染料具有很强的光捕获能力,且其低激态表现出优良的电荷分离性质.通过对这类染料体系的结构修饰,如包含不同金属的共轭大环(卟啉环或咔咯环)的取代,可以很容易地调控它们的光电子性质.计算表明,这类金属双卟啉染料的电子性质能很好地匹配不同的氧化还原电对,在染料太阳能敏化电池研究中具有好的应用前景.基于第一性原理计算,预测了金属双卟啉染料敏化TiO2体系的电子结构性质,讨论了可能的直接和间接电子注入机制,其间接电子注入时间约20 fs,电子注入过程非常快.     

离子液体应用于电合成导电聚合物*

自20世纪70年代导电聚合物发现以来,聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚（3,4-乙撑二氧噻吩）、聚对苯及其衍生物等,以其特殊的电子、电化学、光学性质以及巨大应用潜力受到广泛关注。离子液体是一类在室温或接近室温时呈液态的离子化合物,作为一类环境友好的新型绿色溶剂,具有很多独特的物理化学性质。本文综述了离子液体作为反应介质、支持电解质、测试介质以及离子液体参与形成的聚集体,在导电聚合物的电化学合成以及电化学性质测试中的研究进展,并展望了发展趋势。     

四氯化苯醌-二苯撑体系的光诱导电子转移研究

用从头算方法对四氯化苯醌-二苯撑体系分子间相互作用进行了理论计算研究.用MP2/6-31G^**方法,分别优化电子给体二苯撑,受体四氯化苯醌的稳定构型,用同样的方法优化配合物的层间距得到其最稳定构型,并计算了BSSE校正后的电子给受体配合物的稳定化能.用CIS/6-31++G^**方法,计算了给体、受体及配合物的电子激发态.理论计算验证了给体和受体间能形成稳定的电子给受体配合物,该配合物受光激发能直接产生电荷转移态.在球孔穴近似和点偶极近似下,对电荷转移吸收的理论计算结果进行了非平衡溶剂化能校正.经非平衡溶剂化能校正的电荷转移跃迁能与实验值符合较好.     

频域空间密度矩阵重正化群的研究进展

密度矩阵重正化群(DMRG)作为低维强关联体系中电子结构计算的强有力方法被广泛熟知, 并被迅速地应用于量子化学, 不仅在电子结构计算中发挥重要作用, 同时也在近几年迅速地成为复杂体系量子动力学计算的重要方法. 在DMRG框架中, 衍生出了一系列计算动态响应性质的有效方法, 并得到了广泛应用. 本文简述了DMRG的基本理论, 其矩阵乘积态(MPS)表示有效地扩展了该方法的应用范围. 重点介绍了基于线性响应理论的动态DMRG, 在频率空间求解系统在零温以及有限温度下响应性质的算法, 并介绍其在电子关联问题和电子-声子关联问题中的应用, 最后展望了该领域的未来发展方向.     

D-A结构的9,9-二芳基芴类发光材料的合成、表征及性能

设计合成了一系列以三苯胺结构为核心的具有推电子-拉电子(D-A)结构的9,9-二芳基芴类有机小分子. 研究了介质极性对吸收与发射光谱行为的影响及分子结构与其发光能力的关系. 该类化合物荧光发射波长范围在430-530 nm. 并在特定极性溶剂中观察到双重荧光现象. 溶剂效应显示该类化合物随着介质极性的增加, 分子内电荷转移态(ICT)的荧光发射峰波长先红移后蓝移且荧光强度降低, 表现出扭曲的分子内电荷转移(TICT)行为. 该类化合物的最高占有分子轨道(HOMO)能级位于-5.24 - -5.50 eV, 且可以通过改变取代基电负性的强弱来调节. 所得化合物的玻璃化转变温度为192-206 °C, 热重分析(TGA)表明化合物的热分解温度都在400 °C以上, 具有良好的热稳定性.