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【6h】

硫铁矿物电子结构及表面性质的第一性原理研究

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在自然界中，常见的硫铁矿物有黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿，虽然它们都由铁原子和硫原子组成，但是晶体结构和性质却大不相同，导致它们与捕收剂和氧气的相互作用以及对浮选最佳pH的选取等存在着一定的差异，从而使得它们在浮选过程中表现出不同的浮选行为。研究硫铁矿物的电子结构及表面性质对于进一步弄清不同硫铁矿物浮选行为的差异具有重要的意义。本文运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理，计算了黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿的电子结构，分别从它们的能带结构、态密度、Mulliken布居、电荷密度、差分电荷密度以及前线轨道进行了研究，并讨论了这三种硫铁矿的电子结构与其可浮性之间的关系。另外还对黄铁矿和白铁矿表面的弛豫、Mulliken布居及表面电子结构进行了研究。
　　 三种硫铁矿的电子结构研究表明，黄铁矿和白铁矿为窄能隙半导体，属于低自旋态，而磁黄铁矿的价带和导带相交，具有金属导电性，属于自旋-极化态；费米能级附近铁原子3d轨道的电子最活跃贡献最大的是黄铁矿，其次是白铁矿，而磁黄铁矿中的贡献最小；黄铁矿和白铁矿中的铁原子带负电，硫原子带正电，磁黄铁矿中的铁原子带正电，硫原子带负电；黄铁矿和白铁矿晶体内部铁-硫键之间主要以共价性为主，且共价性相近，黄铁矿中硫-硫键间的共价性强于白铁矿中的，而磁黄铁矿晶体内部两个铁原子之间形成Fe-Fe键，呈现出离子性。
　　 表面研究表明，黄铁矿和白铁矿的表面弛豫较小，表面铁-硫键间的相互作用相对于体相增强了；由表面到体相，铁原子的电荷发生了一个从正到负的过程，硫原子的电荷则是发生了一个从负到正的过程；表面层铁硫原子的能隙降低，表面层导电性强于体相，表面的电化学活性也增强了。
　　 前线轨道计算表明，三种硫铁矿物的氧化顺序为：磁黄铁矿＞白铁矿＞黄铁矿；三种硫铁矿物用黄药捕收的可浮性顺序为：白铁矿＞黄铁矿＞磁黄铁矿；在黄铁矿和白铁矿晶体中，铁原子对最高占据分子轨道(HOMO)的贡献大于硫原子的，但对最低空轨道(LUMO)的贡献却比硫原子的小，而在磁黄铁矿晶体中铁原子和硫原子对前线轨道的贡献相近。

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