层状复合金属氢氧化物理论模拟分子力场的建立及其结构拓扑转变研究

摘要

层状复合金属氢氧化物(LDHs)材料具有纳米尺度的二维层状结构，其晶体结构可热致拓扑转变，在层状功能材料的构筑和高分散催化剂的设计中表现出独特的优势，但分子动力学模拟方法已无法满足快速发展的LDHs构效关系的研究需求。本论文从LDHs组成基元的结构特点出发，设计并发展了适用于LDHs的分子力场（LDHFF力场），完善了LDHs材料分子动力学模拟方法，显著拓展了LDHs材料分子模拟的时间和空间尺度。在此基础上，将理论模拟与实验技术相结合，系统地研究了LDHs热致拓扑转变的结构演变机理，在原子水平上揭示了金属原子的拓扑迁移规律。本研究主要内容包括：
　　⑴建立了LDHs材料模拟理论的分子力场(LDHFF)。为LDHFF力场设计的势函数包括键伸缩作用项，键角弯曲作用项，交叉作用相，二面角扭曲项以及弱相互作用项，准确地反应了LDHs主体层板中金属元素的八面体六配位特点。基于密度泛函方法(DFT)，从组成LDHs主体层板的结构基元，即含三个金属原子(M)的团簇模型([M3(OH2)9(OH)4]n+)的量子化学计算出发，根据团簇模型的结构性质，势能变化规律和原子电荷分布等数据，对LDHs主体层板中的Mg2+，Zn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Al3+，Fe3+和Cr3+等金属离子进行了势函数的参数化计算，得到了相应的LDHFF力场参数。为了验证势函数表达式和力场参数的有效性，使用LDHFF力场对一系列具有不同化学组成和晶体结构的LDHs进行分子动力学模拟，计算得到的结构性质、振动性质、能量性质与实验观测结果高度吻合。此外，在长时间的分子动力学模拟中，LDHFF力场可使得金属离子在LDHs主体层板中稳定地保持在八面体六配位的结构中心。相比于前人针对金属氧化物发展的力场，LDHFF力场在材料结构的模拟精度，长时间动力学稳定性，以及涵盖金属离子的范围上，有了明显的提升和长足的进步。为LDHs材料的分子动力学模拟提供了有效的理论依据。
　　⑵揭示了LDHs热致拓扑转变的结构演变机理。基于分子动力学模拟方法，结合实验表征技术，系统地研究了MgAl-LDHs在温度升高过程中的晶相的结构演变机理，包括客体阴离子的分解机理，金属原子迁移规律，拓扑转变产物结构特点等性质;在原子水平上揭示了LDHs热致拓扑转变的结构变化规律。合成制备了大粒径、高结晶度的Mg2Al-CO3-LDH晶相，通过实验方法表征了三个关键的温度参数，即330℃，450℃和800℃。在330℃下，模拟了层间阴离子的分解机理。发现客体CO32-通过形成单齿状态的中间体在LDHs层间活化分解，该分解过程几乎不影响LDHs的层状结构。在450℃下，对主体层板脱水过程中金属离子的迁移规律进行了细致的模拟和分析，结果表明，主体层板的层状结构会随着脱水反应的进行逐渐坍塌变形，但是其中的金属离子在平行于层板的方向上始终保持着稳定的原子分布方式，仅在垂直于层板的方向上发生了显著的迁移。800℃下的分子动力学模拟以及对焙烧产物的N2吸脱附实验发现LDHs在此温度下层状结构完全坍塌。对LDHs结构演变过程的研究，清楚地揭示出LDHs热致拓扑转变性质源于金属离子在层板平面方向上分布方式的拓扑不变性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 LDHs材料概述

1．2．1 LDHs材料的组成和结构

1．2．2 LDHs材料的性质

1．2．3 LDHs材料应用研究进展

1．3 分子动力学模拟简介

1．4 LDHs材料的拓扑转变

1．4．1 拓扑转变简介

1．4．2 LDHs的热致拓扑转变现象

1．4．3 LDHs拓扑转变应用

1．5 本论文的研究内容，目的和意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究目的和意义

参考文献

第二章 LDHs分子动力学模拟方法的发展

2．1 引言

2．2 研究方法和详细步骤

2．2．1 势函数设计

2．2．2 DFT计算团簇模型

2．2．3 分子动力学验证模型

2．2．4 计算方法设置

2．3 结果和讨论

2．3．1 力场参数化

2．3．2 力场的验证

2．3．3 LDHFF的长时间动力学模拟

2．3．4 LDHFF应用

2．4 基于第一性原理方法的理论模拟

2．5 小结

参考文献

第三章 LDHs热致拓扑转变

3．1 引言

3．2 研究方法和详细步骤

3．2．1 实验部分

3．2．2 模拟部分

3．3 结果和讨论

3．3．1 LDH的结构表征和热重分析

3．3．2 LDHs层间CO32-在330℃温度下的分解

3．3．3 LDHs主体层板在450℃温度下的脱水反应过程

3．3．4 晶体在800℃温度下的脱水反应过程

3．4 小结

参考文献

第四章 结论

本论文创新点

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介