卟啉基非金属纳米片用于可见光光催化制氢（英文）

本文基于密度泛函理论预测了一种用于可见光范围光催化制氢的新型二维非金属纳米材料,该材料可以由HTAP分子脱氢聚合得到,具有良好的结构稳定性,且带隙为2.12 eV,可以实现可见光区域的光捕获.材料的带边能级位置恰好包裹水的氧化还原电位,有利于实现全光解水.电子的迁移率略高于空穴的迁移率,有利于光生载流子的分离.光生电子可以提供足够的驱动力使得析氢反应自发进行.     

不同电子取代基卟啉化合物的光谱和DFT研究

采用实验与密度泛函理论计算(DFT)相结合,研究了不同电子取代基修饰的5-邻羟基苯基-10,15,20-三苯基卟啉(TPPOH)和5-邻羟基苯基-10,15,20-三(对甲氧基)苯基卟啉[(p-OCH₃)TPPOH]化合物的吸收光谱及其电化学性质。结果表明,相对于TPPOH,由于对位甲氧基(-OCH₃)给电子能力强致使(p-OCH₃)TPPOH的卟啉环电子云密度增加,从而引起吸收光谱红移(3 nm)、氧化还原电位发生明显的负移,最高占据分子轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级差降低0.06 eV。DFT理论分析分子前线轨道电子分布结果显示(p-OCH₃)TPPOH的HOMO和LUMO轨道能量均增加,而能级差却比TPPOH能级差小0.05 eV。理论结果与电化学和光谱实验结论一致,并进一步阐明了光谱和电化学性质变化机理,为揭示不同取代基卟啉化合物的设计与应用提供重要依据。     

Pd@C2N单原子催化剂用于HCOOH分解制氢的第一性原理研究

用于HCOOH分解制氢的贵金属催化剂存在着反应选择性差和资源稀缺等问题. 单原子催化可以有效改善催化剂性能并降低成本,C2N作为一种新型二维材料可为过渡金属原子提供良好的结合位点. 本文利用密度泛函理论,设计了Pd@C2N 单原子催化剂,研究了HCOOH在Pd@C2N表面上的吸附和分解制氢反应机理. 结果表明,HCOOH可在Pd原子顶位吸附,并在C2N表面N原子的协同作用下通过甲酸盐路径生成氢气. 通过比较,Pd@C2N具有比Pd (111)表面更好的催化反应活性与选择性.     

取代基效应对对称共价有机框架光催化性质的影响

对称共价有机框架(COF)光催化剂通常存在电荷分离效率低和光激发态寿命短的问题. 通过密度泛函理论和含时密度泛函理论计算,本文发现了用一个或两个取代基(N或NH₂)在具有代表性的对称共价有机框架(N₀-COF)的连接单元内进行部分取代可得到具有电荷分离特征的共价有机框架(N₁-COF、N₂-COF、(NH₂)₁-N₀-COF和(NH₂)₂-N₀-COF). 此外,还发现N₀-COF的最高占据晶体轨道和最低未占据晶体轨道的能级位置可通过取代远离或靠近真空能级,这取决于取代基的吸电子或给电子特性. 因此,本文提出了通过精心选择具有吸电子或给电子效应的取代基,并在对称共价有机框架的连接单元内进行部分取代,所获得的共价有机框架可具有高效的电荷分离以及驱动特定光催化反应的合适最高占据晶体轨道和最低未占据晶体轨道能级位置. 该规则可用于进一步提升许多具有对称性的共价有机框架的光催化性能.     

5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇的结构和振动光谱的密度泛函理论研究

本文选用混杂的B3LYP密度泛函理论方法,在Lanl2dz水平上,对5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇[Por(Fc)2]Y(Pc)的结构进行了优化,结果表明,5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇呈现出三明治型构型,卟啉环与酞菁环呈穹型围绕在金属钇原子周围。对分子内主要的键长与键角进行了理论计算,通过频率计算,得到了5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇[Por(Fc)2]Y(Pc)的红外光谱图,与实验所得的红外光谱图进行比对,将理论计算和实验所得的光谱主要振动峰进行了线性回归拟合,相关系数为0.992,标准偏差为16.96。理论计算与实验所获得的红外光谱图基本一致,说明本文所选用的DFT理论计算方法是可行的。通过GaussView软件对5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇的红外谱带简正振动模式进行了指认。此外,分析讨论了5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇[Por(Fc)2]Y(Pc)的分子静电势,确定了极大值与极小值的位置。对于研究5,15-二（二茂铁基）-卟啉酞菁钇分子的性质,提供了相应的理论基础。     

密度泛函理论研究具有手性侧链的卟啉液晶分子几何结构与电子光谱

采用量子化学密度泛函理论方法在B3LYP/6-31G水平上对具有手性侧链的卟啉液晶分子进行几何结构优化,在此基础上使用含时密度泛函理论方法计算了分子第一激发态的电子垂直跃迁能,得到最大吸收波长λmax.计算表明,手性侧链取代基对λmax的影响不大,Zn络合导致最大吸收波长兰移,与实验结果一致.     

氢卟啉, N-/Neo-混杂卟啉结构和吸收光谱性质的密度泛函理论研究

卟啉类化合物是一类重要的光化学材料,其衍生物特殊的光电特性在各个领域中得到了广泛的应用。利用密度泛函理论(DFT)研究了(free base porphyrin, FBP)及其异构体(neo-confused porphyrin, NECP)和(n-confused porphyrin, NCP)三种卟啉环的几何结构和分子轨道能级。采用TDDFT方法计算真空和溶剂场极化连续模型下三者的吸收光谱。计算表明由于N原子位置变化,FBP,NECP和NCP在Soret带和Q带两个特征吸收峰也有不同。按FBP,NECP和NCP顺序,分子轨道能级LUMO依次降低,HOMO轨道依次升高,从而造成吸收光谱红移。HOMO和HOMO-1轨道能级的分裂造成了FBP和NECP的Soret带的多个吸收峰,而NCP的LUMO和LUMO+1 的能级差与其HOMO和HOMO-1能级差几乎相等造成Soret带只有一个最高吸收峰。计算结果表明不同溶剂(苯、氯仿、乙腈和水)条件下三者的Soret带和Q带特征吸收峰均有显著变化。为此重点讨论了N原子位置的变化及在不同性质溶剂下FBP,NCP和NECP三类化合物Soret带/Q带吸收光谱性质的变化规律和机理。     

平面型卟啉类衍生物吸收光谱的密度泛函计算

用于光动力疗法（PDT）中的光敏剂是一类吸收一定波长的光后达到激发三重态,然后将三重态能量转移给生物体内的氧分子使得基态氧激发为单线态氧的一类物质。目前,临床应用的光敏剂大部分是以卟啉为主的平面型分子。平面分子一般具有较大的共轭键,被光激发后系间窜跃小,三重态寿命较长,因此可以获得高产率的单线态氧。然而临床使用的这类光敏剂吸收波长位于紫外区域,照射光会对人体组织造成光损伤,因此改善临床光敏剂光毒性特征,合成具有可见光区域吸收波段的光敏剂是光动力疗法研究的重要内容之一。该研究依据密度泛函(DFT)及其含时理论(TD-DFT),对三类平面型卟啉衍生物[耳坠型卟啉(a), 三磺酸基酞菁(b), 三磺酸基酞菁合Ni(Ⅱ)(c)]的基态和激发态性质进行了严格的密度泛函计算。几何优化计算显示：分子(a)的最稳定构型中,所有原子都处于一个平面,分子直径大约是7 Å, 分子空穴达到5 Å。分子(b)所有的原子也处于同一平面,分子直径达到8 Å,但是分子空穴只有4 Å。分子(c)的最稳定构型与平面结构发生了偏离,这是由于金属Ni的四配位倾向形成变形四面体,分子的空穴变得更小。几何优化结果说明耳坠型卟啉分子大的空穴有助于其捕获更多的基态氧并进行能量传递。前线轨道能量和轨道布局计算显示：耳坠型分子(a)最高占据能量是最高的,即电子更易被激发。三类分子的最高占据轨道与最低空轨道的能级间隔分别为0.072, 0.076和0.075 a.u.,可以看出耳坠型分子(a)有最低的能级间隙。从轨道布局来看,三类分子中所有原子的p轨道参与了共轭大π键的形成,其中分子(c)中金属d轨道也参与了大π键的形成。对三类分子的吸收光谱进行了模拟,三类分子都具有卟啉特有的Soret带和Q带。(a)分子Q带位于450～900 nm,(b)分子和(c)分子的Q带位于400～800 nm, 其中(a)分子的最大吸收波段是939 nm。该研究从分子结构,轨道能量以及吸收光谱对三类卟啉类光敏剂的微观特性进行了理论计算和讨论,研究结果将为发现和开发近红外吸收的卟啉类高效光敏剂提供理论依据。     

太阳能光催化制氢的科学机遇和挑战

面对人类对能源的需求持续增长,以及化石能源的日益枯竭和其带来的环境污染问题,太阳能成为主要的可再生清洁能源的来源。讨论了利用太阳能催化生氢或消耗二氧化碳,探索在半导体基光催化剂表面的光催化反应和光化学反应。半导体材料被认为是最有前景的光催化剂,其材料合成是发展先进催化剂的核心。减少电荷重新复合,是提高太阳能转化为化学能的关键,关系到太阳能的转换效率。研究结果发现了提高光催化制氢的关键因素,通过Pt-PdS/CdS催化体系使其量子效率提高到93%,提供了发展高效催化剂体系的方法。     

四苯基卟啉类化合物电子光谱和三阶非线性光学性质的理论研究

在B3LYP/6-31+G~*水平计算四个5,10,15,20-四苯基卟啉类化合物的电子光谱和三阶非线性光学性质.结果表明,电子的最大吸收波长在580nm左右,属于可见光区,源于卟啉内HOMO到LUMO的π→π*的电子跃迁.供电子基团的引入将增加电子云密度,致使三阶非线性光学性质增大.吸电子基的引入使卟啉环上的电子云密度减小,导致三阶非线性光学性质减小.含双键或三键的吸电子基团使电子云密度增大,致使三阶非线性光学性质增大.     

卤素驱动石墨二炔带隙的打开以实现光催化全解水

本文通过杂化密度泛函理论研究了卤素(F、Cl和Br)功能化的石墨二炔的能带结构. 结果表明修饰的石墨二炔的带隙能随着卤素原子对的增加而增加;同时,价带顶的位置受卤素原子电负性大小的影响：当石墨二炔表面的卤素原子数目相同时,卤素原子的电负性越大,改性后石墨二炔的价带顶的位置越深. 另外,计算结果表明石墨二炔的带隙可以通过不同卤素原子的适当混合修饰来有效调节,不同卤素原子混合修饰的石墨二炔的价带底和导带顶跨越了水的氧化还原电位. 通过热力学分析进一步证明,不同卤素原子混合修饰的石墨二炔比单一卤素修饰的石墨二炔表现出更好的光催化水全解反应活性. 这项工作对于如何设计更高效的全解水光催化剂提供了洞见.     

1,8,15,22-四(3-戊氧基)自由酞菁的结构、性质和红外光谱研究

利用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上对1,8,15,22-四(3-戊氧基)自由酞菁的分子结构、分子轨道、原子电荷分布和红外光谱进行了研究。对酞菁骨架结构计算的键长 和晶体结构相差最大仅0.002 nm,最小的不足0.000 3 nm,表明了计算的酞菁骨架结构与晶体数据很吻合;对实验红外光谱图上的峰和模拟的峰的波数进行对应线性拟合,得出拟合直线的斜率为1.039, 截距为58 cm-1,说明计算的红外光谱和实验测得的对应得非常好。上述结果验证了所选取的理论方法和基组的可靠性。通过与未取代自由酞菁结构和性质的比较,发现烷氧基取代后的酞菁 分子中原子电荷仍然主要分布在酞菁环的内部,烷氧基的氧原子也带有较多负电荷。但是α-位烷氧基取代对整个酞菁分子结构和性质都产生很大的影响,烷氧基取代升高了HOMO和LUMO的能量,降低了 HOMO-LUMO能级,从而降低了其稳定性。借助正则坐标分析,对红外光谱中的重要吸收峰进行了详细的指认。     

Visible Light Photocatalytic Functional TiO2/PVDF Nanofibers for Dye Pollutant Degradation

The photodegradation of poly(vinylidene fluoride) (PVDF)/titanium oxide (TiO₂) nanofibers under visible light is described, something that has not been previously reported in the literature. Visible light photocatalytic electrospun PVDF/TiO₂ nanofiber webs with anatase TiO₂ concentration varying from 0% to 20% (0%, 1%, 3%, 5%, 10%, and 20%) are produced, and their ability to degrade a toxic pollutant, Rhodamine B (RhB), is studied. Photodegradation study using UV–vis spectroscopy on PVDF/TiO₂ nanofiber webs (with TiO₂ concentration of 20%) shows that 80% of RhB is degraded within 6 h at the wavelength of 546 nm, which clearly falls within the visible spectra. The color of RhB solvent catalyzed by PVDF/TiO₂ nanofiber webs gradually changes from red to orange, then to yellow, further to light yellow till colorless, which suggests the complete photodegradation of RhB under visible light. To estimate the rate of photodegradation, the reaction constant k is calculated. Based on the k value, PVDF/TiO₂ nanofiber webs with 20% TiO₂ concentration show the highest degradation rate compared to other PVDF/TiO₂ nanofiber webs and pure TiO₂ nanoparticles. This study proves the viability of TiO₂‐based nanofibers to have catalytic capabilities under low‐energy visible light.     

邻二氮杂苯-水复合物氢键相互作用的理论研究

用密度泛函理论B3LYP方法和MP2方法分别对邻二氮杂苯与水形成1∶1和1∶2复合物的基态氢键结构与相互作用能进行了理论计算,结果表明复合物之间存在较强的氢键N…H-O相互作用,在复合物中,水的H-O对称伸缩振动频率明显红移.同时,使用含时密度泛函理论方法计算了邻二氮杂苯单体及复合物的第一1(n,π)和1(π,π)激发态的垂直激发能.     

Transition metal-metal oxide hybrids as versatile materials for hydrogen storage

Metal atom located on metal oxide (MMO) is a promising material with various applications such as hydrogen storage. As one of the metal oxides, niobium oxide (NbO) presents fascinating properties that make it a possibly applicable in MMOs. Here, we investigated the feasibility of transition metal-NbO hybrids as MMO materials for application in the hydrogen storage technology. In this respect, the hydrogen adsorption of transition metals (Fe, Ni, Cu, Pd, Ag, and Pt) decorated on the NbO nanocluster has been explored using density functional theory calculations. We found that the adsorption energy of the H₂ molecule on the NbO adsorbent is remarkably increased by locating the transition metals on the NbO metal oxide. Our results reveal that the transition metals decorated on the NbO nanocluster can act as active sites for hydrogen adsorption. Among the studied transition metals, Pt shows the highest hydrogen capacity up to 6.52 wt%.     

亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

Large-scale, density functional theory-based screening of alloys for hydrogen evolution

A general scheme for the screening of heterogeneous catalysts using density functional theory (DFT) calculations is presented, and the scheme is illustrated with a search for catalysts for the hydrogen evolution reaction. Simple techniques to estimate the activity of binary surface and bulk alloys for this reaction are described, and several computational tests for stability in reaction environments are presented. Careful application of these activities and stability criteria to a database of DFT calculations on ∼750 binary transition metal alloys leads to the identification of several surface and bulk alloys that are predicted to perform comparably to platinum, the canonical hydrogen evolution catalyst. This study marks the first use of full DFT calculations for high-throughput screening of transition metal catalysts.     

金属阳离子和水对MnO2晶体稳定性的重要影响

利用密度泛函方法对具有代表性的α、β、δ三种MnO₂晶体结构和能量进行了系统的计算,探讨金属离子和水对MnO₂的晶体稳定性的影响．计算结果表明α-MnO₂在没有隧道中钾离子支撑的情况下会崩溃;δ-MnO₂在夹层中没有金属阳离子和水存在时,层间距会明显低于实验结果．从能量来看,在金属阳离子和(或)水存在的条件下α-MnO2和δ-MnO2会比β-MnO2更加稳定, 反之则没有β-MnO2稳定．因此,金属离子和水是层状MnO₂和较大隧道状MnO₂晶体存在的必要条件之一．     

基于银纳米粒子的局域表面等离子体共振效应提高草甘膦基于茚三酮间接检测的灵敏度（英文）

常规的农药残留检测一般存在前处理操作复杂,耗时较长,方法不够灵敏等问题。根据氨基与茚三酮显色原理和局域表面等离子体共振(LSPR)增强光吸收原理,利用紫外-可见吸收光谱对水样品中草甘膦含量进行定量分析,并利用密度泛函理论进一步分析了显色的类似罗曼紫产物的光吸收增强机理。草甘膦与茚三酮在钼酸钠催化下反应生成类似罗曼紫产物;该物质在紫外–可见吸收光谱570nm处有最大吸收峰,当其吸附在银纳米粒子(Ag NPs)表面上时,最大吸收峰蓝移至568nm处,同时吸收强度显著提高;本研究中检出限为2.017 4×10^-11 mol·L^-1,显著低于文献中约6.5×10^-7 mol·L^-1的检出限。Gaussian 09软件计算得出,类似罗曼紫产物经由茚三酮的C=O基团垂直吸附在Ag NPs表面,静电势表明茚三酮的C=O基团优先与Ag稳定相互作用并形成Ag—O键,C=O基团和C—N基团构成了π键共轭系统;连接草甘膦和茚三酮之间的C—N键是类似罗曼紫产物的生色团。因此,茚三酮衍生法可用于间接检测水样品中草甘膦,银纳米...