密度泛函理论对TM@(BN)48 (TM = Sc-Cu)化合物结构与性质的研究

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由于金属小团簇的电子特性与块体金属有着巨大的差异，越来越多的人们开始关注金属小团簇的性质研究。然而自由态的金属粒子却很容易发生化学反应或氧化变质，从而改变其物理化学性能，阻碍实际应用。所以，为了防止活泼的过渡金属小团簇被腐蚀，人们通常将其包裹于惰性材料中，起到保护的作用BN纳米笼就是一种著名的涂层材料，常被用于防止金属颗粒被氧化。与碳纳米材料相比，BN纳米材料具有较大的能隙(~6.0 eV)结构，具有更好的热化学稳定性，被广泛应用于材料科学领域。
　　本论文中，我们利用Gaussian09程序,采用密度泛函理论(DFT)下的杂化密度泛函BPW91方法和混合电子基组6-31G(d)，LanL2DZ，在充分考虑自旋多重度的基础上对TM@(BN)48笼包含物的结构与稳定性进行了计算研究，还对其磁性的变化进行了初步探讨。本论文的主要内容及结论如下：
　　1.TM1-4@(BN)48(TM=Fe, Co,Ni)笼包含化合物几何结构和性质的研究
　　在密度泛函理论BPW91/LanL2DZ计算水平下，对TM1-4@(BN)48(TM=Fe,Co,Ni)笼包含化合物的结构和性质做了研究。结果显示：磁性金属团簇与笼相互作用，TM1-4@(BN)48包含物足够稳定。基态TM1-4@(BN)48表明，被包含的金属小团簇偏离(BN)48笼中心靠近六元环，而且单个TM原子偏离中心最大，TM4团簇最小。其次，TM和TM2金属团簇在包含前后磁性保持不变，只有Ni原子磁性完全消失。TM3和TM4金属团簇被包含后，磁性均有所减小，唯有Ni3团簇却保持不变。因此，(BN)48笼可以最为一种新型的材料，用以增加磁性小金属团簇TM1-4(Fe，Co和Ni)的稳定性，并且保护其磁性。
　　2.TM1-2Mn@(BN)48(TM=Fe,Co,Ni)笼包含化合物几何结构和性质的研究
　　采用密度泛函理论下的杂化密度泛函BPW91方法，对TM1-2Mn(TM=Fe,Co,Ni)笼包含化合物的结构和性质做了研究。结果显示：Mn掺杂金属小团簇TM1-2，磁性发生显著增强。同时，TM1-2Mn@(BN)48团簇的包含能均为负，与自由态合金团簇比较，笼中的TM1-2Mn团簇键能明显增加，表明磁性合金团簇与笼发生较强的相互作用，从而使得TM1-2Mn@(BN)48包含物足够稳定。稳定态的TM1-2Mn@(BN)48表明，被包含的合金团簇偏离(BN)48笼中心靠近六元环，其次，CoMn和NiMn合金团簇在包含前后磁性保持不变；其他的合金团簇被包含后，磁性均有所减小。
　　3.TM1-2Cr@(BN)48(TM=Fe,Co,Ni)笼包含化合物几何结构和性质的研究
　　在密度泛函理论BPW91/LanL2DZ计算水平下，对TM1-2Cr(TM=Fe,Co,Ni)笼包含化合物的结构和性质做了研究。结果显示：Cr掺杂金属小团簇TM1-2，磁性发生显著变化。FeCr、Fe2Cr和Co2Cr合金团簇磁性减弱，NiCr、Ni2Cr和 CoCr磁性增强。同时，TM1-2Cr@(BN)48团簇的包含能均为负，与自由态合金团簇比较，笼中的TM1-2Cr团簇键能明显增加，表明磁性合金团簇与笼发生较强的相互作用，从而使得TM1-2Cr@(BN)48包含物足够稳定。基态的TM1-2Cr@(BN)48表明，被包含的合金团簇偏离(BN)48笼中心靠近六元环，其次，除了CoCr和Ni2Cr，所有合金团簇在包含前后磁性均保持不变。
　　4.TMMo@(BN)48(TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)笼包含化合物几何结构和性质的研究
　　采用BPW91密度泛函理论方法，对Mo掺杂TM@(BN)48(TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni和Cu)团簇的结构和性质做了研究。结果显示：除了VMo@(BN)48，与自由态合金团簇比较，笼中的TMMo团簇键能明显增加，表明磁性合金团簇与笼之间具有较强的相互作用，从而使得TMMo@(BN)48包含物足够稳定。同时，除了Co@(BN)48，Mo掺杂后，TM@(BN)48团簇磁性也发生显著变化，Ti@(BN)48,V@(BN)48,Cr@(BN)48,Mn@(BN)48和Fe@(BN)48团簇磁性明显减弱，其中CrMo@(BN)48甚至磁性完全消失；而Sc@(BN)48,Ni@(BN)48和Cu@(BN)48磁性增强。因此，通过磁性的改变，TM@(BN)48团簇可以作为一种模型体系，用于检测识别Mo原子。

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作者
梁文娟;
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作者单位

山西师范大学;

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授予单位山西师范大学;
学科无机化学
授予学位博士
导师姓名武海顺;
年度 2016
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
金属小团簇; 密度泛函理论; BN纳米笼; 几何结构; 磁性变化;

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