C~60的单原子碱金属化合物几何结构规律的量子化学研究

采用原子叠加和电子离域分子轨道处理(ASEO-MO)对碱金属原子在C~60分子内外所形成的MC~60进行了较详细的考察, 讨论了它们的几何结构规律和电子结构等性质。在MC~60(M=Li, Na, K, Rb, Cs)中Li原子的平衡位置将偏离C~60分子的中心, 而Na和K的平衡位置是在C~60分子的中心, 但Rb和Cs原子则在C~60分子外部将比在其内部稳定。由金属原子半径和C~60球半径的讨论, 从而预见哪些原子可以在C~60分子内部附加形成稳定的化合物。     

电子定域函数(ELF)理论方法简介——一种描述化学键的新模型

电子定域函数理论可以清晰和定量化描述理论化学研究的基本对象——化学键,已在原子、分子及固体体系中得到广泛应用。本文系统介绍了电子定域函数(ELF)理论方法的基本物理思想;对ELF函数的一些特点如数值稳定性、ELF与分子中的原子理论(AIM理论)方法的异同及ELF的拓扑分析进行了说明;对电子定域函数在研究原子壳层结构、化学键的性质、孤对电子的位置、反应过程化学键的断裂和生成等方面的应用进行了介绍。     

Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能及电子性质调变的第一性原理研究

采用密度泛函理论方法研究了Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能和电子性质的调变作用,其中,Cu单原子修饰研究了吸附和取代两种方式。结果表明,CO在Cu修饰的Fe(111)面吸附能力都会变弱,一是Cu原子自身提供的位点对CO的吸附较弱;二是Cu会使其附近的Fe对CO的吸附变弱。分析电子性质表明,Cu作用于Fe表面后,会导致Cu附近Fe原子部分电子向Cu原子转移,进而削弱了Fe与吸附分子间电子交互作用而改变Fe原子的吸附能力。故Cu原子改性Fe表面可以很好地调变CO的吸附、解离及后续反应催化活性,这为进一步探究Cu改性Fe表面的合成气催化反应机理提供了基础信息。     

带有噻吩侧基的有机硼小分子电子受体光伏材料

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上,HOMO定域在中心核上,其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726nm),因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比,噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV,LUMO能级保持不变,进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池,实现了4.21%的能量转化效率和300–850nm的宽响应光谱。实验结果表明,硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法,可以用于有机硼小分子受体材料的设计。     

卤素、 氰基及N原子修饰对四硫富瓦烯衍生物载流子传输性质影响的理论研究

基于密度泛函理论结合跳跃模型和能带理论研究了氟、 氯、 氰基和N原子的引入对四硫富瓦烯(TTF)衍生物载流子传输性质的影响. 计算结果表明, 嵌N修饰会降低分子重组能, 特别是当N原子靠近TTF主体环时作用更明显. 与引入卤素修饰相比, 引入氰基修饰的分子具有更小的电子和空穴重组能及更低的前线分子轨道(FMO)能级. 同时迁移率的计算结果显示, 分子6具有1.15 cm²·V^-1·s^-1的高电子迁移率, 考虑其较低的LUMO能级, 推测其有望成为潜在的优异电子传输材料, 而相似的电子和空穴迁移率使分子2有望成为潜在的双极性传输材料. 同时还考察了S和N原子之间的弱相互作用, 当S或N原子对分子HOMO(或LUMO)有贡献时, 其相应的空穴(或电子)传输能力会有所提高.     

基于2,1,3-苯并噻二唑衍生物的有机发光材料的设计与性质的理论研究

有机电致发光材料已经成为国际上的一个研究热点。利用量子化学方法研究有机电致发光材料的结构与性能间的关系已成为材料科学中不可或缺的重要手段。本文采用理论计算方法对一种2,1,3-苯并噻二唑衍生物的结构进行修饰,研究了杂原子NH、O和Se取代对电子性质、光谱性质、电荷传输性质以及稳定性的影响,这对于了解有机电致发光材料的发光机制,设计新颖的多功能材料是非常有意义的。研究结果表明,NH取代对母体分子的电子性质和光谱性质的影响最明显。NH、O和Se取代衍生物具有较小的空穴重组能,可以作为有机电致发光二极管中的空穴电荷传输材料。静电势能结果表明NH、O和Se取代衍生物的稳定性要高于母体分子的稳定性。     

基于硼氮杂稠环芳烃的多重共振热活化延迟荧光材料研究进展

近年来,多重共振热活化延迟荧光(multi-resonance thermally activated delayed fluorescence, MR-TADF)材料由于其优异的光物理性质和电致发光器件性能而受到广泛关注.这类材料通常以稠环芳烃骨架为基础,通过引入具有相反共振效应的缺电子中心(如硼原子)和富电子中心(如氮原子),诱导最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)在分子骨架中分别定域在不同原子上,从而获得小的单线态-三线态能级差(ΔEST),实现TADF的性质.与传统的给受体型TADF材料相比, MR-TADF材料具有刚性结构和局域电荷转移特征,有利于获得高色纯度的窄谱带发光和极高的量子效率,使其成为理想的发光材料并广泛应用于有机发光二极管(organiclight-emittingdiode,OLED)中.自2016年首例基于硼氮杂稠环芳烃的MR-TADF材料被报道以来,该领域取得了飞速的发展,但尚缺乏针对材料分子研究进展的系统总结.综述了基于硼氮杂稠环芳烃的MR-TADF分子的设计策略和合成方法,从分子骨架的发展、分子骨架的取代基修饰策略以及新型手性MR...     

饱和链状分子中C 1s电子电离能与基团拓扑电负性指数

由X-射线光电子谱测定的原子内层电子的电离能(也称结合能)能反映分子内部不同区域的原子特性,常用于估计分子内不同部位的化学活性、分子中的电子结构变化以及取代基效应[1]。还用于研究价电子性质[2-4]和化合物的气相酸碱性[5]。目前,对原子内层电子电离能的研究有实验测定和     

硼氮掺杂的碳纳米管对硫化氢气敏性能的理论研究

应用密度泛函理论研究了纯(8, 0)单壁碳纳米管(SWCNT)和B原子、N原子以及BN原子对掺杂的(8, 0) SWCNTs对硫化氢气体分子的传感性质. 计算结果表明, 与纯碳纳米管相比, B原子掺杂的SWCNT显示了对H₂S分子的敏感性, 其几何结构和电子性质在吸附H₂S分子后发生了显著变化; 而N原子和BN原子对的掺杂没有改善SWCNT对H₂S分子的吸附性能, 因此我们建议B原子掺杂的SWCNT作为检测H₂S分子的新型气相传感器.     

含芳胺和1,3,4-噁二唑的星型有机分子合成及光电性质

通过分子设计, 采用多步反应合成了2种新型的具有“双极”(Bipolar)性质和发光性能的以N原子为中心的星型有机分子. 用1H NMR, MS和元素分析进行了表征, 研究了化合物的热稳定性和固体粉末的光致发光性质, 并用循环伏安法测定了其电化学性能. 结果表明, 这种同时具备空穴传导和电子输入双重功能基团的星型有机小分子的光致发光性能优良(量子效率达到82%—95%), 热稳定性好, 可以作为有机电致发光器件材料.     

基于3d元素掺杂的石墨二炔分子传感材料性能调控

二维碳材料因其独特的性质成为凝聚态物理、纳米电子学、生物医药等领域的前沿研究热点。石墨二炔具有天然的半导体特性及独特的大孔网状结构,在纳米电子器件和生物传感方面比石墨烯更具优势。本文使用第一性原理计算研究了单层石墨二炔的纳米带电子输运性质和及石墨二炔对小分子的吸附。我们考虑用掺杂3d金属原子的方法来增强对分子的吸附力。选择在石墨二炔表面吸附能较大的钪(Sc)、钛(Ti)原子,确定石墨二炔表面Sc、Ti单原子在室温下的稳定性,研究了Sc、Ti掺杂石墨二炔用于分子检测的潜在可能。从能带、载流子浓度等方面全面探讨了Sc、Ti掺杂石墨二炔对甲醛分子(HCHO)的响应。又进一步研究了石墨二炔与氨基酸分子间相互作用,发现色散力在相互作用中占主导地位。研究了吸附氨基酸对石墨二炔电子输运的影响,探讨石墨二炔在生物传感方面的潜在应用。     

三核欠完整立方烷金属原子簇二阶非线性光学性质的理论研究

研究了具有欠完整立方烷构型的过渡金属原子簇分子的二阶非线性光学性质。利用TDDFT方法计算了选取的簇分子及相应模拟构造分子的静态和动态的一阶非线性光学超级化率(ijk);并计算了不同金属、桥原子和配体以及簇芯对该类化合物一阶超级化率的影响。选取其中的一个簇分子为基本模型,分析了该分子的电子结构和分子轨道,在微观水平上阐述了其非线性光学性质的可能起源。认为由过渡金属和硫原子组成的簇芯和与桥原子相连的配体对该类簇合物的二阶非线性光学性质的起决定性的作用。     

二维材料限域单原子催化剂研究进展（英文）

近年来,单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前,多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂,包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能,因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质,并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.二维材料兴起于石墨烯的成功剥离,随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂,其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下:(1)二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用,使其催化性能更为独特;(2)二维材料通常具有巨大的比表面积,这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度;(3)单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点,增加碰撞几率并降低传质阻力;(4)二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂,其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究;(5)二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.在这里,我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展,其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论,进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.     

二维材料限域单原子催化剂研究进展

近年来,单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前,多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂,包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能,因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质,并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.二维材料兴起于石墨烯的成功剥离,随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂,其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下:(1)二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用,使其催化性能更为独特;(2)二维材料通常具有巨大的比表面积,这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度;(3)单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点,增加碰撞几率并降低传质阻力;(4)二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂,其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究;(5)二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.在这里,我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展,其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论,进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.     

光电子能谱(五)

3.配位络合物在过渡金属原子形成的阳离子周围,由一些中性分子和(或)阴离子所环绕,从而生成具有一定形式的配位络合物,这些中性分子及阴离子就称为配位体。配位体的活性有赖于中心离子的性质。配位体接近带高电荷的金属中心离子时,引起分子中的极化,或当配位体将它的电子供给一个阳离子共享后就会发生许多变化,其中最重要的是使给电子原子上的其它键减弱。一系列电子给予体和金属配位时,它将孤对电子或π电子输送给中心过渡金属的空d轨道成σ键,同时充满电子的适当金属d轨道将电子回送给配位基的空反键轨道成dπ-pπ键。由于配位基的不同,金属氧化态的不同,σ给电子能力和π受电子能力有差异,因此金属配合物的活性及配位体中的键强也有差别。光电子能谱通过结合能的测定可以提供电荷转移的信息,成为研究配位键性质的一种工     

14族杂环戊二烯分子(硅、锗、锡)的电子结构与光谱性质

14族杂原子取代的杂环戊二烯分子具有独特的光谱性质, 成为发光材料的明星分子. 为了更深层次地理解硅、锗、锡杂环戊二烯分子的光谱性质, 本文从理论上计算了它们的电子结构及其吸收和发射光谱. 分别采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT), 优化了硅、锗、锡杂环戊二烯分子基态和第一激发态的平衡构型, 计算了电子结构和振动性质. 在此基础上, 运用振动关联函数公式计算了吸收光谱和发射光谱. 得到的吸收光谱和发射光谱, 特别是发射光谱的半峰宽与现有的实验值吻合很好. 通过分析结构和光谱性质的关系, 指出光谱的性质主要取决于苯环转动对应的低频振动模式和中心环C—C键的伸缩振动对应的高频振动模式.     

原位配体交换方法合成合金纳米团簇

<正>团簇作为凝聚态物质的初始形态,在物质由原子、分子向宏观材料转变过程中起着关键作用。国内外研究现状和趋势表明,探索超小尺寸(2nm)原子数目精确的金属团簇的物理、化学性质,可以揭示出团簇的前线分子轨道与其理化性质之间的量子化学规律,指导我们更加理性地创造新材料。     

金属团簇的超原子分子理论

选取合适的金属团簇(超原子)作为结构基元,进而组装形成新的团簇或晶体材料是团簇科学中一个有趣且充满挑战的课题,受到了实验和理论研究者的广泛关注.通过超原子组装这种"自下而上"的组装方式,可以获得具有特定物理化学性质的新材料.但是,长久以来针对如何进行超原子组装并无清晰、统一的理论认识,超原子组装基本等同于超原子的任意堆砌或拼接.那么,超原子能否像原子那样通过特定化学键形成分子或晶体?超原子间如何成键?超原子组装是否有一定模式可循?为了回答这些问题,我们提出了一个唯象理论:超原子分子理论.该理论的核心是构建超原子间的成键规则,将涉及超原子的"超级化学键"概括为3种类型,即超级共价键、超级杂化键和超级非键.超原子可以通过超级化学键结合形成超原子分子或超原子晶体.同时,超原子分子理论指出,超原子具有几何结构不同但电子结构相似的异构体,这些异构体称为"等同超原子".等同超原子同样可以作为组装基元,通过超级化学键进行结合.另外,针对包含复杂成键类型的团簇体系,超原子分子理论概括出了两种超原子组装模式,分别称为超原子网络和杂化超原子网络.综上所述,超原子分子理论包含了对超原子间成键规则的理解,对超原子组装基元的思考以及对超原子组装模式的认识.超原子分子理论的相关内容不仅可以为超原子组装提供系统的理论依据,而且可以对特殊团簇结构的稳定性给出合理解释,还可以为新型团簇的结构设计以及实验合成提供理论指导.     

“CH”/N取代对BTD衍生物光电性质影响的理论研究

采用量子化学方法研究了“CH”/N杂原子取代对2,1,3-苯并噻二唑衍生物(BTD)的电子性质、光谱性质以及电荷传输性质的影响,为新型有机发光材料的设计与合成提供了可靠的理论基础和指导.研究结果表明,在基态和激发态,与母体分子相比,“CH”/N取代同时降低了最高占据轨道和最低空轨道的能量.而且,与母体分子相比,“CH”/N取代衍生物的能隙升高.“CH”/N取代使母体分子吸收和发射光谱发生了蓝移,并且使发射光谱的振子强度增大.“CH”/N取代衍生物具有较小的空穴重组能,可以作为有机发光二极管的空穴传输材料.     

电负性均衡

电负性是分子中一个原子把电子拉向它自身的能力,是化学理论的基本概念之一。继Pauling建立第一个电负性标度后,提出了众多的电负性标度。只是在密度泛函理论的基础上,电负性概念和电负性均衡原理,才被精密地论证。近二十多年来,电负性理论的重要发展是:应用电负性均衡模型或方法,可以快速地计算分子体系的电荷分布,从而确定分子的其他性质,甚至包括分子的结构和反应性指标。通常的电负性均衡方法只把分子划分到原子区域,虽然简单直观,但其精度和应用范围受到限制。原子与键电负性均衡方法,把分子划分到包括原子区域、化学键区域和孤对电子区域,能够较快速精密地计算分子的电荷分布和其他性质,并被应用到构建新一代可极化或浮动电荷力场的探索中,有广阔的应用前景。