ZnFe/NiAl水滑石超分子结构的DFT研究

摘要

本论文采用量子化学密度泛函理论(DFT)分别在B3PW91/LANL2DZ和B3PW91/6-31G**的计算水平上对Ni离子的水、羟基配合物可能的几种构型进行优化。分析比较了Ni(OH)64-和Ni(H2O)62+化合物的几何参数、能量、前线轨道、电荷分布情况并经振动分析得到了Ni(H2O)62+的红外谱。采用密度泛函理论(DFT)的B3PW91/LANL2DZ的方法对水滑石层板团簇[ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+的生长机理和形成规律。在B3PW91/LANL2DZ以及B3PW91/6-31g**的计算水平上优化了ZnFe层板的Br-、NO3-的单层板吸附模型和ZnFe层板的F-、Cl-、Br-的插层模型，并进行了振动分析和NBO成键轨道分析，对优化得到的几何构型的键参数、电荷布局以及主客体相互作用能进行了研究。以下为主要计算结果：
　　 1、Ni离子的水及羟基六配位化合物的密度泛函理论研究
　　 优化得到的键参数中，Ni-O键长能与文献报道中的实验数据较好吻合；Ni(H2O)62+比Ni(OH)64-更稳定；Ni(OH)64-更易吸引带正电荷的阴离子；从HOMO看，Ni(OH)64-的能量均为正，所以Ni(OH)64-较易发生电子跃迁；振动分析得到的Ni(H2O)62+的红外吸收峰与实验值相一致。
　　 2、[ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+水滑石层板团簇生长机理的研究
　　 [ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+的稳定性与桥接的OH数目有关；[ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+最稳定构型的金属离子几乎全部位于一个平面上；在这个生长过程中，以三聚体[M2+2M3+(OH)4]3+稳定态为基核，M2+(OH)2为单元，O-M2+-O键连方式呈环状周期性生长，且遵循桥接OH数目最多的规律；△E与n呈线性关系，且随着M数量的增加，△E变小，说明随着层板变大，结构越趋于稳定。
　　 3、ZnFe水滑石主体层板与客体阴离子超分子作用的研究
　　 客体阴离子与LDHs主体层板间存在着较强的超分子作用，阴离子的作用顺序依次为：NO3-＜Br-，与文献报道的实验结果相一致；客体阴离子与LDHs主体层板间存在着较强的超分子作用，阴离子主客体作用顺序依次为：F-＞Cl-＞Br-，因此当此类水滑石作为交换前体时的交换顺序为：Br-＜Cl-＜F-，与文献报道的实验结果相一致。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 水滑石及水滑石类化合物概述

1.1.1 LDH的结构和组成

1.1.2 LDH的性质

1.2 水滑石的研究现状

1.2.1 水滑石的实验研究现状

1.2.2 水滑石的理论研究现状

1.3 本课题的研究内容和意义

1.3.1 本课题的研究内容

1.3.2 论文选题的目的和意义

第二章 理论基础和计算方法

2.1 量子化学的发展和应用前景

2.2 Ab initio计算方法

2.3 电子相关问题

2.3.1 物理图象

2.3.2 电子相关能

2.3.3 相关能计算方法

2.3.4 密度泛函理论(Density Functional Theory DFT)

2.4 Gaussian程序简介

第三章 Ni离子的水及羟基六配位化合物的密度泛函理论研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 结构模型

3.3.2 键参数分析

3.3.3 Mulliken电荷布居分析

3.3.4 能量分析

3.3.5 振动分析

3.4 结论

第四章 [ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+水滑石层板团簇生长机理的研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 [Zn2Fe(OH)4]3+和[Ni2Al(OH)4]3+的几何构型

4.3.2 [Zn3Fe(OH)6]3+和[Ni3Al(OH)6]3+的几何构型

4.3.3 [Zn4Fe(OH)8]3+和[Ni4Al(OH)6]3+的几何构型

4.3.4 [Zn5Fe(OH)10]3+，[Ni5Al(OH)10]3+，[Zn6Fe(OH)12]3+，[Ni6Al(OH)12]3+的几何构型

4.4 [ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+的稳定结构构型的键参数和振动分析

4.5 [ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+的层板生长机理的初探

4.6 [ZnnFe(OH)2n]3+和[NinAl(OH)2n]3+的稳定构型的稳定化能

4.7 小结

第五章 ZnFe水滑石主体层板与客体阴离子超分子作用的研究

5.1 引言

5.2 水滑石单层板超分子作用的理论研究

5.2.1 计算模型与方法

5.2.2 结果与讨论

5.2.3 小结

5.3 水滑石双层板超分子作用的理论研究

5.3.1 计算模型与方法

5.3.2 结果与讨论

5.3.3 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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