硅氧团簇和钛氧团簇:新特性及水分子分解预测

摘要

团簇科学目的在于理解材料基本特性随尺寸大小的变化关系，即从单个分子到小团簇再到块体结构过度过程中材料基本特性的演化关系。另外，由于纳米颗粒材料具非常独特性质使之具有广泛应用前景。因此，对纳米粒子的原子聚合过程、结构和稳定性的研究成为很多理论和实验研究工作者关心的焦点问题。当材料的尺寸变得越来越小直到纳米量级时，材料就会表现出完全不同的物理和化学特性。分子结构向晶体结构的演化过程中纳米团簇特性随尺寸变化的准确解释对于纳米技术的理解和应用有着重要的意义，尤其对材料的选择和设计意义重大。
　　硅氧化物和钛氧化物都是应用广泛的重要材料。硅是地球上分布最广泛的元素之一，通常以氧化物的形式存在，硅氧化物在电子设备、光学设备、玻璃以及薄膜合成等方面都已经有广泛的应用。由于人们发现一氧化硅团簇在硅纳米线形成的初期起到重要的作用，因此对一氧化硅团簇的研究立即引起了科研工作者极大地兴趣。与硅氧化物相似，二氧化钛在电子设备、污染物的处理、生物医药工程以及太阳能转化等方面有着重要应用。因此，对硅氧团簇和钛氧团簇的深入研究对其特性和应用的进一步探索非常必要。在本论文中，我们的研究重点是稳定(SiO)n(0，±)(n=2-7)团簇的电子特性和振动特性以及水分子在二氧化钛团簇表面分解过程的能量曲线图像。
　　在第一章中，首先介绍纳米材料的背景知识，纳米材料的独特性质以及潜在的应用前景。纳米团簇对于理解不同材料形成的初期情况有重要意义，而且纳米材料还具有块体材料所不具备的优越性能。在论本文中我们的研究对象是硅氧团簇和钛氧团簇。并在本章中介绍关于硅氧团簇与钛氧团簇的近期研究情况。
　　在第二章中，介绍量子物理、量子化学的基本理论和相关计算方法，例如Hartree-Fock方法、密度泛函理论、分子轨道等。同时在本章还阐述了红外光谱和拉曼光谱的基本原理，及其在理论计算和实验研究中的重要应用。
　　在第三章中，利用密度泛函理论对一氧化硅团簇及其带电团簇(SiO)n(0，±)(n=2-7)的稳定结构、电子结构和振动光谱进行了系统的研究。—氧化硅团簇是硅纳米线生长初期的构成材料。对(SiO)n（0，±）(n=2-7)团簇的绝热电子亲和能AEA、垂直电子亲和能VEA、绝热电离能AIP、垂直电离能VIP进行了理论计算，AEA、VEA、AIP、VIP参数能提供团簇电子结构的相关信息。当AEA和VEA值相差比较小时说明阴离子团簇与中性团簇的结构差别比较小，而当AEA和VEA值相差比较大时说明阴离子团簇与中性团簇的结构差别比较大;类似的，当AIP和VIP值相差比较小时说明阳离子团簇与中性团簇的结构差别比较小，而当AIP和VIP值相差比较大时说明阳离子团簇与中性团簇的结构差别比较大。计算结果表明我们计算的绝热电子亲和能、垂直电子亲和能结果与已有光电子光谱提供的实验数据符合的很好[J.Chem.Phys.1969，51，4189]。红外光谱和拉曼光谱能够提供团簇结构和化学键的相关信息，理论计算的红外光谱和拉曼光谱图与实验数据的对比可以用来确定团簇的稳定结构。我们的研究结果显示:随着团簇中所包含的SiO单元的个数n的增大，(SiO)n±团簇的红外光谱、(SiO)n-的拉曼光谱表现出明显的兰移，而(SiO)n的拉曼光谱表现出红移。同时计算结果还进一步表明，多数中性团簇有很强的红外振动峰和较弱拉振动曼峰;多数阴离子团簇有红外振动峰相对较弱而拉曼振动峰较强。我们的计算结果与已有的(SiO)n+(n=3-5)红外光谱的实验数据符合的比较好[Phys.Chem.Chem.Phys.2008，10，1502]。我们还计算了实验上最可能与基态结构共存的异构体结构及其红外光谱和拉曼光谱。
　　在第四章中，利用密度泛函原理计算了水分子在二氧化钛团簇(TiO2)n(n=3，4，6，8，10)表面分解的情况。研究结果表明，水分子在二氧化钛团簇表面分解通过三步进行的，从能量角度讲二氧化钛团簇吸附和分解水的能力要比金红石结构二氧化钛(110)面分解水的能力要强。由于位阻效应，(TiO2)n表面分解水的数量随着团簇尺寸的变化而变化。计算给出了水分子在(TiO2)n表面分解过程中的能量曲线和几个选择的中间态结构图，并与水分子在金红石结构二氧化钛(110)面分解的情况做了对比。由于实验中二氧化钛团簇经常以离子形式存在，所以我们也计算了水分子在(TiO2)6±团簇表面分解过程的能量曲线和反应过程中的几个选择的结构状态。水分子在金红石结构二氧化钛(110)面分解是一个可逆的过程[PHYSICAL REVIEW LETTERS,2009102，096102]，分解和重新结合是同时发生的，而水分子在二氧化钛团簇表面分解是不可逆的，由于逆反应的势垒比较高，水分子一旦分解就很难再重新结合，这使得二氧化钛团簇分解水的性能大大优于体相二氧化钛。另外我们还计算了水分子、(TiO2)6、水分子在(TiO2)6表面的吸附稳定态、水分子在(TiO2)6表面的分解的亚稳态、水分子在(TiO2)6表面的分解的稳定态的红外及拉曼光谱，希望能为实验提供有用的参考和对比。
　　人们已经对钛氧团簇进行了很多的理论和实验研究，但是目前人们主要关注的重点是(TiO2)n团簇。实际上研究证明，实验上并不只存在(TiO2)n团簇，同时也存在TinOm(m≠2n)团簇。这些结构对钛氧团簇的催化和分解水等应用同样非常重要。因此在第五章中利用密度泛函原理研究了TinOm(n=2，m=1-4;n=3-4，m=n-2n)团簇的基态结构及振动谱。
　　在第六章中对本论文进行全面的总结。

目录

声明

摘要

引言

1．1 纳米材料的概念

1．2 纳米材料的分类

1．2．1 零维纳米材料

1．2．2 一维纳米材料

1．2．3 二维纳米材料

1．2．4 三维纳米材料

1．3 纳米材料的基本效应

1．3．1 小尺寸效应

1．3．2 表面效应

1．3．3 量子尺寸效应和宏观量子隧穿效应

1．4 纳米测量与表征

1．4．1 纳米测量技术

1．4．2 纳米材料的表征

1．5 硅氧团簇和钛氧团簇

1．5．1 硅氧团簇

1．5．2 钛氧团簇

1．6 纳米材料的应用

第二章 理论与方法

2．1 从头算(ab inifio)方法

2．1．1 分子体系的薛定谔方程

2．1．2 轨道近似和自洽场(Self-Consistent Field，SCF)方法

2．1．3 基组(Basis sets)问题

2．2 密度泛函理论(DFT)

2．3 红外光谱(Infrared Spectroscopy)和拉曼光谱(Raman Spectroscopy)

2．3．1 红外光谱(Infrared Spectroscopy)

2．3．2 拉曼光谱(Raman Spectroscopy)

第三章 (SiO)n(0，±)(n=2-7)团簇的结构和振动特性研究

3．1 背景介绍

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 (SiO)n(0，±)(n=2-7)团簇的稳定结构

3．3．2 电子亲和势和电离势

3．3．3 红外光谱和拉曼光谱

3．3．4 共存可能性最大的异构体

3．4 本章小结

第四章 水分子在TiO2团簇表面的分解吸附

4．1 背景介绍

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 水在(TiO2)n团簇表面的吸附与分解

4．3．2 水分子在(TiO2)团n簇表面分解和在rutile块体表面分解的对比

4．3．3 水在(TiO2)n团簇表面分解的效率

4．3．4 红外光谱和拉曼光谱

4．4 本章小结

第五章 TinOm(n=1-4；m=1-2n)的结构和振动谱

5．1 计算方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 TinOm(n=2，m=1-4；n=3-4，m=n-2n)的基态结构

5．2．2 红外和拉曼光谱

5．3 本章小结

第六章 总结

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢