镍基团簇电子结构及性能的理论研究-材料物理与化学专业论文.docx

镍基团簇电子结构及性能的理论研究摘要过渡金属团簇是现阶段研究的热门课题，由于它们的几何结构独特，在物理 性质、化学性质、磁性、催化方面都有着极为优异的性能，目前已经引起广大研 究者的关注。过渡金属团簇之一的镍团簇由于其独特的电子结构及其 d 电子层的 离域性，被广泛的应用在催化反应和磁性材料上。近年来，对镍及其合金团簇的 实验和理论研究也日趋增加。本文通过采用密度泛函理论(Density Functional Theory)，选用 Gaussian03 软 件计算和分析了镍及镍基团簇的结构及性能，本论文的主要内容及结果如下:(1)通过使用 Gaussian03 程序中的各种不同的方法，结合以往文献中使用的 各类方法并与实验数值做对比，对镍团簇的结合能、磁矩、电离势等量化参数做 了分析，从中选出研究镍团簇的最优方法和基组:BPW91/ Lanl2dz。进而在此条 件下优化了 Nin(n=1-13)的基态结构，通过分子轨道图分析了磁矩变化。(2)采用 BPW91/Lanl2dz/6-31G(d)方法计算出 Nin-1Al(n=1-8,12)团簇的基态构 型，发现 Al 原子优先吸附在 Ni 原子的周边，并且吸附模式为点代替吸附。另外， 我们通过对掺杂团簇的平均结合能、HOMO–LUMO 能隙的分析预测 Ni5Al 团簇 为合金团簇的最稳定团簇。进而通过解离能、能量的二次差分和电离势分析验证 了当 Al 的掺杂量为 16.7%时，合金团簇最稳定。双金属团簇的磁矩变化趋势和 自然电荷分布与团簇的分子轨道图相互印证，说明由于 Al 原子表现出的反磁性 和 Ni-Al 之间的 s-p-d 杂化使得 NinAl(n=1-8,12)团簇的磁矩明显降低。(3)采用 BPW91/Lanl2dz/6-31G(d)方法计算出 NinAl-H2(n=1-6)团簇的基态构 型，发现氢分子解离吸附在合金团簇的边缘。通过 NBO 分析和密立根电荷分析 阐明了吸氢团簇内部轨道杂化现象，发现了电子主要由 Al 原子的 3s 轨道向 Ni 原子的 3d 轨道和 H 原子的 1s 轨道发生转移。从化学吸附能的参数与趋势图可i以看出 Ni3Al-H2 团簇相对而言比较活泼，Ni5Al-H2 团簇最为缓慢。综上所述，本论文首次采用 BPW91 方法对镍及镍基团簇的物理化学特性进 行理论研究，该方法的准确性将对镍及镍基团簇的研究更有参考意义。此研究为 寻求新的功能材料提供了一定的理论依据。关键词:密度泛函:BPW91 方法:镍团簇:吸氢The theoretical studies on structures and performances of Nin and NinAl (n=2-13)clustersAbstractTransition metal clusters have become one of the most attractive areas of current research due to their very excellent performances on physical properties, chemical properties, magnetic and catalytic aspects, which originate from their unique geometrical structures. At present, it has attracted the attention of the researchers. Nickel clusters, one kind of the transition metal clusters, are widely used in catalytic reaction and magnetic materials because of their unique geometrical structures and delocalized d electrons. In recent years, studies on the experimental and theoretical aspects of nickel clusters and its alloy clusters are increasing day by day.This article calculates and analyzes the structures and performance of Nin and NinAl (n=2-13)clusters through the Density Functional Theory and Gaussian03 software, the main co