含惰性气体贵金属离子团簇中成键机制的理论分析

摘要

惰性气体原子电子结构稳定，化学活性小，化学成键问题一直倍受人们的关注。贵金属原子，物理化学性质也比较稳定。因此，惰性气体和贵金属原子的成键问题是化学键理论的一道难题，由惰性气体和贵金属原子形成的小分子、团簇是国内外研究的焦点。并且，含惰性气体贵金属的混合/掺杂团簇的微观结构特点和奇异的物理化学性质为制造和发展特殊功能的新材料开辟了新的途径，在催化科学、表面科学、纳米科学与技术、基于团簇制造特殊功能材料等领域中具有广泛的应用前景。迄今为止，国内外已经在理论和实验上报导了一些包含惰性气体－贵金属键的新颖化合物、团簇和块状晶体。人们惊讶地发现一些惰性气体－贵金属化学键相对比较强，并不是以微弱的范德瓦耳斯力结合。因此，探索惰性气体－贵金属键的成键机制，发展研究含惰性气体－贵金属键的体系的理论和方法，发现其重要的物理、化学性质，以及不断完善该类物质的研究体系等，成为人们的重要研究内容。本文基于量子化学、结构化学、原子与分子物理学、群论、团簇物理学等基础理论，在分子轨道理论的框架下，使用了考虑“电子相关效应”和“相对论效应”的计算方法，重点研究了若干含惰性气体－贵金属键的分子和离子小团簇的惰性气体－贵金属键的成键机制，其次对几何结构、电子结构、稳定性、分子内的相互作用、以及团簇的尺寸效应等方面也进行了系统地考察。
　　本文使用二阶微扰论方法(MP2)，通过对惰性气体－贵金属键的分析，预言了惰性气体－贵金属氢氧化物NgMOH(Ng=Ar，Kr，Xe；M=Au，Ag，Cu)是化学上稳定的化合物，有可能被人工合成。研究发现：所研究体系的惰性气体－贵金属键与以范德瓦耳斯力结合的化学键相比，键长比较短，解离能比较大，成键比较稳定。其成键机制比较复杂，电荷诱导能、色散能、贵金属氢氧化物上多极矩的贡献、共价相互作用等都对该化学键的形成起了重要作用。惰性气体和贵金属之间存在电荷转移，贵金属是电荷的受体。惰性气体－贵金属氢氧化物是一种可能稳定存在的化合物，本文为实验合成该化合物提供了重要的理论依据。
　　通过对Au－Ar化学键的分析，确定了掺杂金离子的氩的系列团簇Au+Arn(n=1-6)的“幻数”结构Au+Ar4和Au+Ar6。本文采用密度泛函方法(B3LYP)优化了团簇的各种可能初始几何构型，确定了能量最低的基态结构，并在此基础上，研究了团簇的稳定性随着氩原子数目增加的变化规律，确定了团簇第一
　　个闭合壳层的“幻数”结构。结果发现：由于团簇的Au－Ar键比Ar－Ar键稳定，该团簇的基态稳定构型倾向于Au+离子在中心，其它的Ar原子逐渐包围在Au+周围，形成最多的Au－Ar键。在这些团簇序列中，当Ar原子数目为4和6时，团簇比较稳定。6个Ar原子形成团簇的第一个闭合壳层。Au+Ar4是畸变的四面体结构，Au+Ar6是八面体结构。
　　通过对四方平面结构的含惰性气体贵金属离子团簇的成键分析，发现静电相互作用和相对论效应是影响惰性气体和贵金属离子化学成键的重要因素。本文使用了二阶微扰论(MP2)方法考虑了电子相关效应，使用相对论的赝势(RPP)和非相对论的赝势(NRPP)考虑了相对论效应，研究了四方平面结构的包含氙和高氧化态的金离子的AuXe42+团簇，并首次推广到铜、银体系，进一步确定这类四方平面结构的化合物是否适合于CuXe42+和AgXe42+。结果发现：MXe42+(M=Cu，Ag，Au)团簇的惰性气体－贵金属键的解离能按照Cu–Ag–Au的顺序不断增大。虽然，Cu－Xe和Ag－Xe键没有Au－Xe键强，但是，它们也很稳定。静电相互作用对二价的惰性气体－贵金属键的形成起了重要作用。相对论效应使M－Xe键的键长变短、解离能增加，从而使团簇更加紧凑和稳定。频率分析表明这种四方平面结构适合于AuXe42+和 AgXe42+，而对于CuXe42+，稍微发生畸变的三维立体结构更稳定。

目录

含惰性气体贵金属离子团簇中成键机制的理论分析

THEORETICAL ANALYSIS OF BONDINGMECHANISMS IN THE IONIC CLUSTERSCONTAINTING NOBLE GAS AND NOBLE METAL

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 弱相互作用

1.2 团簇物理

1.3 惰性气体化学的发展概况

1.4 惰性气体及其化合物的应用背景

1.5 理论基础和研究方法

1.5.1 Hartree-Fock 方程

1.5.2 电子相关效应

1.5.3 密度泛函理论 (DFT)

1.5.4 相对论效应及其处理方法

1.6 课题研究的目的和主要研究内容

1.6.1 课题研究的目的

1.6.2 主要研究内容

第2 章 NgMOH (Ng = Ar, Kr, Xe; M = Au, Ag, Cu)体系的理论研究

2.1 引言

2.2 计算方法和基组的选择

2.3 NgAuOH (Ng = Kr, Xe) 成键的分析

2.3.1 几何结构和振动频率

2.3.2 Ng－Au 键的成键机制

2.3.3 慕利肯 (Mulliken) 电荷分析

2.3.4 Murrell－Sorbie 势能函数拟合

2.4 NgMOH (Ng = Ar, Kr, Xe; M = Cu, Ag) 成键的分析

2.4.1 几何结构和振动频率

2.4.2 Ng－M 键的成键机制

2.4.3 电荷分析

2.5 本章小结

第3 章 Au+Arn (n = 1-6) 团簇的结构和稳定性研究

3.1 引言

3.2 计算方法和基组的选择

3.3 团簇的结构

3.3.1 Au+Ar

3.3.2 Au+Ar2

3.3.3 Au+Arn (n = 3-6) 团簇

3.4 稳定性

3.5 本章小结

第4 章 四方平面的MXe42+ (M = Cu, Ag, Au) 体系的理论研究

4.1 引言

4.2 计算方法和基组的选择

4.3 结构分析

4.4 M–Xe 的解离能

4.5 自然键轨道 (NBO) 分析

4.6 相对论效应

4.7 振动频率分析

4.8 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历