Li和Al掺杂的MgO(001)表面负载W3O9团簇的构型与电子结构

采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的方法, 对W₃O₉团簇在经Li 和Al 原子掺杂的MgO(001)表面的负载构型、稳定性以及体系的电子结构进行了系统研究. 结果表明, 当掺杂发生在表层时, 杂质原子的类型对W₃O₉团簇的负载构型有显著影响. 对于缺电子的Li 掺杂, 负载后W₃O₉团簇环状构型并不稳定, 转化为链状结构; 而Al 原子的掺杂则使得MgO(001)表面电子富余, 此时W₃O₉团簇存在平躺和垂直两种吸附方式, 二者能量稳定性相近, 其中前者存在同时与三个W原子成键的帽氧结构. 当掺杂发生在次表层时, 两种掺杂体系W₃O₉的负载构型相似, 团簇仍保持环状结构并倾向于采用垂直方式沉积在表面上. 与Li 掺杂体系相比, 富电子的Al 掺杂可显著增强W₃O₉与MgO(001)表面之间的结合能力, 负载后有较多电子从表面转移到团簇中特定的W原子上, 这将对W₃O₉团簇的催化性能产生显著影响.     

Al掺杂Sn12-团簇结构及电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3PW91方法,在混合基组水平上对Al掺杂Sn12-团簇几何结构和电子结构进行了计算分析.结果表明,Al内掺杂Sn12-团簇能量更低更稳定,但LU-MO-HOMO能隙较小.外掺杂多面体簇中,电荷从Al原子移向Sn12-笼,趋向形成[Al+Sn122-]结构;内掺杂多面体簇中,电荷从Sn12-笼移向Al原子,趋向形成[Al-@Sn12]结构.     

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.     

PdSi_n(n=1～15)团簇电子结构与光谱性质的理论研究

在卡里普索(CALYPSO)结构预测的基础上,采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,优化得到PdSi_n(n=1~15)团簇的基态结构,对其电子性质、红外光谱和拉曼光谱进行了讨论.结果表明,PdSi_n(n=1~15)团簇的基态构型随n值的增大由平面结构向立体结构演化;当n≤4时,PdSi_n团簇的红外与拉曼活性在450~500 cm-1范围内表现较好,当n≥5时,PdSi_n团簇的红外与拉曼活性在50~500 cm~(-1)范围内表现较好.     

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。     

Cu_nNi(n=2-13)团簇基态结构和电子特性的密度泛函研究

基于第一性原理,利用密度泛函理论中广义梯度近似(GGA)对团簇Cun-1Ni和Cun(n=3-14)进行了结构优化和能量计算,结果表明,单质Cu团簇不是以密实结构而是以类平面结构生长,但Ni的掺杂使得Cu团簇结构以二十面体为基础生长并且增加了团簇的稳定性;团簇结合能的二阶差分计算表明Cu3Ni,Cu7Ni和Cu9Ni结构最为稳定;在团簇的最稳定结构中Ni原子趋于占据团簇的中心位置和更多的Cu原子形成化学键;位于表面的Cu原子成为Mülliken电荷的接受体而带负电性,这也可能是Ni掺杂Cu合金耐腐蚀性增强的原因之一;Ni的掺杂使原来没有磁性的铜团簇显示了磁性且总自旋磁矩表现明显的奇偶振荡,为1或2μB,与团簇的尺寸无关.     

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.     

不同覆盖度下Li原子在Si(001)表面上的吸附构型和电子结构

采用基于赝势平面波基组的密度泛函理论, 对不同Li原子覆盖度下Li/Si(001)体系的吸附构型、电子结构以及吸附Li原子对表面性质的影响进行了系统研究. 计算结果表明, 在所考察的覆盖度范围内, Li原子倾向于吸附在相邻两个Si-Si二聚体之间各种对称性较高的空穴位, 其中覆盖度为0.75 ML(monolayer)时具有最小的平均吸附能. 由能带结构分析结果可知, 随着覆盖度的增大, Si(001)表面存在由半导体→导体→半导体的变化过程. 在覆盖度为1.00 ML时, 由于表层二聚体均受到显著破坏, 使得体系带隙明显增大. 吸附后, 有较多电子从Li原子转移到底物, 导致Si(001)表面功函显著下降, 并随着覆盖度的增加表面功函呈现振荡变化. 此外, 从热力学稳定性角度上看, 覆盖度为0.75 ML的Li/Si(001)表面较难形成.     

正、负和中性TiP10团簇结构与电子性质的密度泛函研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法研究了正、负和中性TiP10团簇的几何构型和电子结构. 计算结果表明, 中性TiP10团簇的基态构型为金属夹心结构, 正、负离子团簇同样具有该基态稳定结构. 通过对基态稳定结构的分子轨道分析表明, δ键对形成夹心结构起到重要作用. 理论计算得到的中性TiP10团簇的垂直和绝热电离能分别为7.84和7.68 eV, 垂直和绝热电子亲和势分别为3.18和3.35 eV.     

TiO2(110)表面负载W3O10团簇构型和电子结构的理论研究

采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的方法, 对非化学计量比富氧型钨氧化物团簇W₃O₁₀在TiO₂(110)表面负载的构型和电子结构进行了系统研究. 研究结果表明, 热力学最稳定的负载构型为W₃O₁₀团簇通过端氧原子和W原子形成四根Ti-O键和两根W-O键吸附在TiO₂(110)表面. 负载W₃O₁₀团簇后, 有较多电子从TiO₂表面转移到团簇上, TiO₂表面不再保持半导体性质, 相应地, 表面功函上升. 比较负载前后团簇的稳定性可知, 可以通过沉积在合适的固体表面来稳定气相中的不稳定构型.     

MgO缺陷和不规则表面吸附Cl2的电子结构研究

采用从头算程序对MgO表面 3种不同配位位置吸附Cl2 的构型进行优化 ,并用扩展休克尔紧束缚 (EHT)晶体轨道方法对MgO的缺陷和不规则表面吸附Cl2的可能构型进行能带计算 ,讨论了吸附前后能带组成和成键性质的变化。研究表明 :MgO表面吸附Cl2 将更趋向于吸附在O原子上而非Mg原子上 ,而且在 3种配位中MgO表面三配位氧最有利于吸附Cl2 ;吸附时 ,电子从O原子转移到Cl2 分子的反键轨道 ,但是各种吸附构型的MgO表面对Cl2 的吸附作用均比较微弱 ,是典型的物理吸附。     

O2在MgO(001)完整和缺陷表面上的吸附

在密度泛函理论的框架下， 采用嵌入点电荷簇模型研究了O2在MgO(001)完整和缺陷表面上的吸附.用电荷自洽的方法确定了点电荷的值.计算结果表明， O2倾向吸附在低配位的角Mg2＋端.并且发现， 当O2为平躺吸附时，键长有较大的拉伸，将有利于O2的解离.同时，分别计算了使用裸簇和嵌入表观±2.0 e点电荷簇模型时的吸附能，并与采用电荷自洽方法的计算值进行了比较.结果表明，电荷自洽方法更能有效反映簇周围的环境，得到的计算结果能够较好地与实验值吻合.最后，分别计算了不同吸附情况下O2的振动频率.     

O2在具有氧和镁缺陷MgO(001)表面的吸附

在密度泛函理论的框架下，采用嵌入点电荷簇模型研究了O2在具有氧缺陷和镁缺陷MgO(001)表面上的吸附.用电荷自洽的方法确定了点电荷的值.计算结果表明，O2倾向吸附在具有氧缺陷的MgO(001)表面上.通过和我们近期研究过的O2在低配位的边、角上吸附结果相比较，发现具有氧缺陷的MgO(001)表面更加有利于O2的吸附和解离. Mülliken电荷分析表明，电荷由底物向吸附的O2反键轨道上转移是导致O2键强削弱的主要原因.势能曲线表明，O2在具有氧缺陷的MgO(001)表面上发生解离所需要克服的能垒比在角阳离子端发生解离所需克服的能垒有大幅度降低.     

Density Functional Theory Study on Electronic and Magnetic Properties of Mn-doped (MgO)n (n=2-10) Clusters

We study the geometries, stabilities, electronic and magnetic properties of (MgO)_n (n=2-10) clusters doped with a single Mn atom using the density functional theory with the gener-alized gradient approximation. The optimized geometries show that the impurity Mn atom prefers to replace the Mg atom which has low coordination number in all the lowest-energy MnMg_n-1O_n (n=2-10) structures. The stability analysis clearly represents that the aver-age binding energies of the doped clusters are larger than those of the corresponding pure (MgO)_n clusters. Maximum peaks of the second order energy differences are observed for MnMg_n-1O_n clusters at n=6, 9, implying that these clusters exhibit higher stability than their neighboring clusters. In addition, all the Mn-doped Mg clusters exhibit high total magnetic moments with the exception of MnMgO₂ which has 3.00 μB. Their magnetic be-havior is attributed to the impurity Mn atom, the charge transfer modes, and the size of MnMg_n-1O_n clusters.     

Adsorption and Decomposition of NH3 on Ni/Pt(111) and Ni/WC(001) Surfaces: A First-Principles Study

Density functional theory was used to study the NH₃ behavior on Ni monolayer covered Pt(111) and WC(001). The electronic structure of the surfaces, and the adsorption and decomposition of NH₃ were calculated and compared. Ni atoms in the monolayer behave different from that in Ni(111). More dz2 electrons of Ni in monolayer covered systems were shifted to other regions compared to Ni(111), charge density depletion on this orbital is crucial to NH₃ adsorption. NH₃ binds more stable on Ni/Pt(111) and Ni/WC(001) than on Ni(111), the energy barriers of the first N-H bond scission were evidently lower on Ni/Pt(111) and Ni/WC(001) than on Ni(111), these are significant to NH₃ decomposition. N recombination is the rate-limiting step, high reaction barrier implies that N₂ is produced only at high temperatures. Although WC has similar properties to Pt, differences of the electronic structure and catalytic activities are observed for Ni/Pt(111) and Ni/WC(001), the energy barrier for the rate-determined step increases on Ni/WC(001) instead of decreasing on Ni/Pt(111) when compared to Ni(111). To design cheaper and better catalysts, reducing the N recombination barrier by modifying Ni/WC(001) is a critical question to be solved.     

Structural and electronic properties of hydrated MgO nanotube clusters

Hydrated MgO nanotube clusters are constructed and studied by the density functional theory at the B3LYP/6-31G(d) level. A strong exothermicity chemisorption reactivity of MgO nanotube clusters with water, which releases 137.5–171.8 kJ/mol. The averaged charge of Mg ions is steady, and presents a stronger ionic bonding. Mg ions are more sensitive to the coordination number. For the reaction of water onto clusters, electronic properties of hydrated clusters have remarkable change compared with anhydrous clusters.     

Sn_nSm(n=1～9)团簇结构稳定性与磁学性质的理论研究

采用Saunders全局优化随机踢球模型与密度泛函理论相结合的方法,在B3LYP/SDD理论水平下研究了锡基原子团簇Sn_n(n=2~10)及锡基稀土原子钐掺杂团簇Sn_nSm(n=1~9)的几何结构、稳定性、电子性质和磁性.结果表明,团簇Sn_nSm(n=1~9)中掺杂的钐原子通常位于主团簇的表面,掺杂团簇的基态结构更倾向于具有较高对称性的三维结构;二元锡基混合团簇的平均结合能变大,稳定性增强,这主要归因于Sn—Sm键比Sn—Sn键的键能大,具有更强的相互作用;掺杂团簇具有较高的磁性,其总磁矩主要源自于钐原子4f电子的贡献;随着团簇尺寸的增加,二元团簇的总磁矩呈现出趋于饱和的现象.     

Conversion of N2O to N2 on MgO （001） Surface with Vacancy： A DFT Study

The adsorption and decomposition of NzO at regular and defect sites of MgO (001) surface have been studied using cluster models embedded in a large array of point charges (PCs) by DFT/B3LYP method. The results indicate that the MgO (001)surface with oxygen vacancies exhibits high catalytic reactivity toward N2O adsorptive-decomposition. It is different from the regular MgO surface or the surface with magnesium vacancies.Much elongation of O—N bond of N2O after adsorption at oxy-gen vacancy site with O end down shows that O—N bond has been broken with concurrent production of N2, leaving a regu-lar site instead of the original oxygen vacancy site (F center ).The MgO (001) surface with magnesium vacancies hardly ex-hibits catalytic reactivity. It can be concluded that N2O dissoci-ation likely occurs at oxygen vacancy sites of MgO (001) sur-face, which is consistent with the generally accepted viewpoint in the experiments. The potential energy surface (PES) reflects that the dissociation process of N2O does not virtually need to surmount a given energy barrier.     

Fe/Cr超晶格的电子结构和磁性质

应用密度泛函全势线性缀加平面波(FLAPW)方法研究了Fem/Crn (m=3, 4; n=1, 3, 4)超晶格的电子结构和磁性质. 结果表明, Fe3/Cr1和Fe3/Cr3体系的基态中, Fe层间存在铁磁耦合; 而Fe4/Cr4体系基态中, 存在反铁磁耦合; Cr层的磁矩方向交替变化, 交界面上的Fe和Cr间存在反铁磁耦合.