TiO2团簇及其吸附水结构和性质的理论研究

论文摘要

团簇有效连接了原子尺寸和宏观块体,它具有极大的表体比,催化活性高,为研究各种化学反应提供了极好的平台。TiO2在催化等工业领域有重要的实际应用价值,特别是在一定条件下,可以光解离水分子产生清洁的氢气,对于缓解当前能源危机具有重要意义。因此对于TiO2团簇与小分子催化机理的研究成为了一个热点。针对TiO2团簇吸附水分子,本文主要开展了以下两个工作:利用遗传算法结合经验势函数搜索了（TiO2）n（n=36）团簇的基态结构,并用从头计算的方法进行了进一步优化,以能量为判据来判定团簇的最稳定构型。研究表明,遗传算法可以得到团簇的一些新异构体,但由于受经验势描述原子间相互作用比较粗糙或者是经验势所描述的晶相不同等原因的影响,使得遗传算法得到的团簇基态结构不一定是全局最小,因而需要用精确的方法对全部结构进行优化和确认。本文得到的（TiO2）n（n=3-6）团簇的最低能量结构分别是具有Cs、C2v、Cs、C2对称性的具有末端悬挂氧的结构。根据团簇吸附小分子的特点,给出了小分子在团簇表面吸附的遗传算法的现实方案。使用两个广义的遗传算符实现了小分子的全方位旋转和在团簇表面的全空间移动。一个变异算符是通过多次小步长随机移动表征水分子与团簇相对位置的自由度来改变水分子在团簇表面的位置,另一个是小步长随机的改变表征水分子空间趋向的自由度来改变水分子在团簇表面的指向。这两个算符也适用于研究两体甚至多体间相互作用问题。结合经验势搜寻了水分子在（TiO2）n （n=36）团簇上的吸附结构,利用密度泛函理论的B3LYP/6-31G**方法对吸附结构进行了进一步优化,并对性质进行了分析。研究显示,水分子以非解离方式通过O原子吸附到团簇中配位数较低的Ti原子上。分子轨道分析表明,虽然吸附后水分子中O、H原子的净电量有所增加,但由于分子轨道的离域化作用,使得O、H之间的成键减弱。吸附后水分子的振动频率发生红移。本文首次将遗传算法应用到了优化团簇吸附小分子的结构,研究结果丰富了目前对TiO2团簇及其吸附水体系的理论研究,为解决水分子在TiO2表面吸附方式的争论提供了理论算例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 团簇及其研究意义
• 1.2 团簇的基本性质
• 1.3 团簇的制备方法
• 1.4 团簇研究的理论方法
• 1.4.1 总能量的计算方法
• 1.4.2 势能面的搜索方法
• 1.5 本文研究的内容和意义
• 参考文献
• 第二章 理论方法
• 2.1 遗传算法
• 2.1.1 遗传算法的步骤和实现
• 2.1.2 遗传算法研究原子团簇
• 2.1.3 遗传算法研究团簇吸附小分子
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Thomas-Fermi 模型
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.3 Kohn-Sham 方程
• 2.2.4 交换关联泛函
• 2.3 Gaussian 软件和基函数
• 2.3.1 Gaussian 软件
• 2.3.2 Gaussian 函数
• 参考文献
• 2团簇基态结构的理论研究'>第三章 TiO₂团簇基态结构的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算细节
• 3.3 结果和讨论
• 2）N（N=3-6）的稳定结构和异构体'>3.3.1 （TiO₂）N（N=3-6）的稳定结构和异构体
• 2）N（N=3-6）团簇基态结构的从头计算优化'>3.3.2 （TiO₂）N（N=3-6）团簇基态结构的从头计算优化
• 3.4 结论
• 参考文献
• 2团簇吸附水分子结构和性质的理论研究'>第四章 TiO₂团簇吸附水分子结构和性质的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算细节
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 二氧化钛团簇吸附水分子结构的遗传算法研究
• 4.3.2 二氧化钛团簇吸附水分子结构和性质的密度泛函研究
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 1. 总结
• 2. 展望
• 附录
• 致谢