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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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水环境对金钛团簇TiAu_4的影响

刘小吉  
【摘要】:近年来,对金纳米团簇进行过渡金属掺杂的研究证明掺杂可以改变金团簇的表面构型,导致其物理化学性质发生变化,尤其是掺杂钛的金团簇因其在催化和电子元器件方面的潜在应用价值广受关注。本文围绕金钛团簇TiAu_4和水分子之间的相互作用进行了以下研究。(1)研究了TiAu_4团簇与不同数目的水分子接触时,TiAu_4团簇的稳定结构。首先通过basin-hopping程序搜索TiAu_4团簇与不同含量的水(1,2,4,12个水分子)相接触时,可能存在的结构。找出其中能量较低的四种结构,然后使用基于第一性原理的DFT计算方法对这四个结构进行优化。研究结果表明,当TiAu_4团簇与水分子相接触时,真空中非常稳定的高对称性的Td结构将被破坏,钛原子被拉到表面与水分子解离出的羟基成键。并且随着水分子数目的变化,TiAu_4团簇的结构也随之发生变化,且发生了稳定结构在二维结构与三维结构之间转变的现象。当水分子的数目较多时(水分子数目大于等于四个时),水分子与TiAu_4团簇相接触时,能自发生成H2,而TiAu_4团簇有溶解在水中的趋势。因此,TiAu_4团簇在与水分子接触时,水分子不仅能改变团簇的结构,而且可能将团簇溶解。(2)考虑到水分子与金属之间的相互作用力相对较弱,范德瓦尔斯作用力可能对整个体系产生较大的影响。我们又研究了范德瓦尔斯作用力对不同体系的影响。研究结果表明,范德瓦尔斯作用力对整个体系的影响不大,稳定结构和相对稳定性等因素并没有因为范德瓦尔斯作用力的加入而产生较大改变。但是值得注意的是,随着水分子数目的增加,范德瓦尔斯作用力对体系的影响也会增加。(3)研究了水蒸气环境下TiAu_4的性质。水分子在TiAu_4团簇表面吸附时,更倾向于解离吸附,且解离吸附的结构比分子吸附的结构稳定很多。通过计算水分子在TiAu_4团簇表面的解离能垒发现,水分子在TiAu_4团簇表面解离能垒较低,很容易发生解离。因此,TiAu_4团簇可以作为一些水蒸气环境下的水解反应的催化剂。
【关键词】:金钛团簇 水分子 稳定结构 解离吸附
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG146.23
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 引言10-16
  • 1.1 水环境下金钛团簇TiAu_4的研究意义10-11
  • 1.2 TiAu_4团簇的研究现状11-12
  • 1.3 本文的研究思路及内容12-16
  • 1.3.1 研究思路12-13
  • 1.3.2 研究内容13-14
  • 1.3.3 本论文的研究创新点14-16
  • 第二章 研究方法16-26
  • 2.1 第一性原理16-19
  • 2.1.1 提出背景16
  • 2.1.2 理论依据-密度泛函理论[31-33]16-18
  • 2.1.3 应用及分析18-19
  • 2.2 basin hopping算法[34]19-21
  • 2.2.1 提出背景19
  • 2.2.2 计算过程19-20
  • 2.2.3 Basin hopping算法分类20
  • 2.2.4 Basin hopping算法的新策略20-21
  • 2.3 Gaussian软件[35,36]21-22
  • 2.4 Dmol3软件[37,38]22-23
  • 2.5 水环境中TiAu_4体系计算模型简介23-24
  • 2.6 本章小结24-26
  • 第三章 水环境中TiAu_4团簇的结构及性质26-44
  • 3.1 TiAu_4团簇的性质研究26-27
  • 3.2 水环境中的TiAu_4团簇结构27-41
  • 3.2.1 TiAu_4团簇与单个水分子相互作用的结构28-32
  • 3.2.2 TiAu_4团簇与两个水分子相接触的结构32-36
  • 3.2.3 TiAu_4团簇与四个水分子相相接触的结构36-40
  • 3.2.4 12个水分子与TiAu_4团簇相接触时的稳定结构40-41
  • 3.3 TiAu_4团簇催化水分解的过渡态研究41-43
  • 3.4 本章小结43-44
  • 第四章 总结与展望44-46
  • 4.1 总结44
  • 4.2 展望44-46
  • 参考文献46-50
  • 硕士期间发表的文章50-52
  • 致谢52

【参考文献】
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