CO和O分子在电子结构性质特殊的Au团簇上吸附的DFT研究

摘要

团簇由于尺寸在原子和宏观体系之间，本身性质具有多样性和奇异性，因此成为实验和理论研究的重要对象。而其中的Au团簇，由于在催化方面独特的性质，更是受到广泛的关注。Au团簇上小分子的吸附性质，成为近年来Au团簇研究的一个重要内容。计算化学的发展，使得对较小团簇的几何构型、电子结构及许多其它性质，都可以进行第一性原理计算，从而得到更多更准确的信息。随着计算方法和计算机技术的飞速发展，计算化学在化学研究中已经占有越来越重要的地位。其中，密度泛函方法由于计算量适中、计算精度较高，已成为计算化学领域中最重要的理论方法之一。本文的方向是利用密度泛函理论研究具有特殊的电子结构性质Au6-团簇上小分子(CO和O2)的吸附特性。本文分为五个部分：
　　 第一章介绍了团簇的一些基本情况。首先，我们简单介绍了团簇的基本性质。接着，我们从实验和理论两个方面，介绍了团簇研究的基本方法。其中，在实验方法中，我们介绍了团簇的制备和测量方法。在理论方法中，我们举例介绍了团簇研究的基本思路和方法。然后，我们对团簇研究的现状做了一个简单的总结和展望。最后，概况了本文在团簇研究中所做的工作和意义。
　　 第二章介绍了密度泛函理论的基本框架。介绍了密度泛函理论的发展过程，从Thomas-Fermi模型，到Hohenberg-Kohn 定理，再到Kohn-Sham 方程。本章最后介绍一些基于密度泛函理论的常用软件包，对Gaussian 软件，尤其是其使用的Gaussian基组，做了较为详细的介绍。
　　 第三章用杂化密度泛函的方法，计算发现Au6-团簇在Aun(n=2-9)团簇具有一些特殊性质。首先，介绍了Au 团簇的研究进展和基本性质，接着，我们使用密度泛函方法的杂化密度泛函，研究了Aun(n=2-9)团簇的电子结构性质，发现了Au6-团簇在Aun(n=2-9)团簇具有不同于其他Aun(n=2-9)团簇的电子结构性质，得到了与前人一致的计算结果。
　　 第四章基于Au6-团簇具有的一些特殊性质，我们用密度泛函的方法，研究了氧气分子在Au6-团簇上的吸附性质。首先，介绍了Au 团簇对CO氧化反应的催化作用，以及O2在Au团簇上吸附体系的研究进展，接着，我们使用密度泛函方法的杂化密度泛函，对吸附体系做了系统的研究。结果显示，采用B3LYP 泛函计算得到的结果，与实验上结果符合得很好。
　　 第五章用密度泛函的方法，也研究了一氧化碳分子在Au6-团簇上的吸附性质。首先，介绍了CO在Au 团簇上吸附体系的研究进展。接着，我们使用和第四章一样的方法，系统研究这一类吸附体系。计算结果表明对于Au6-团簇可以吸附三个CO分子。对于这类吸附，电荷从CO分子向Au团簇的转移，以及相应的C--O键变弱(键长变长，振动频率减小)，都是吸附发生的显著标志。这一工作证明了杂化密度泛函方法可以很好地用于计算CO分子在Au团簇上的吸附体系。
　　 至此，结合别人的研究结果，O2和CO在Au6-团簇上的吸附特性已经有了较为全面的实验和理论研究。同时进一步研究了O2和CO在Au6-团簇上的共吸附特性，发现了O2和CO在Au6-团簇上的吸附不存在竞争，而是一个促进CO氧化反应发生的过程。这为进一步研究Au团簇对CO氧化反应的催化机理，做了很好的基础性工作。