密度泛函理论研究LDHs功能材料的微观结构

论文摘要

层状双金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides,简写为LDHs）,又称阴离子粘土或水滑石类化合物,是一种具有特殊层状构型的功能材料。由于该材料主体层板元素的可调控性和层间客体的可交换性,为此类材料的迅速发展提供了广阔的空间,使其在离子交换、吸附、催化、医药、光、电、磁等多个领域展现出广阔的应用前景。密度泛函理论探讨铜锌铝三元水滑石的畸变结构和稳定性:通过模拟不同含铜量的三元水滑石（CuxZn3-xAl-LDHs,x=0-3）的微观结构,深入分析各体系的结构参数、氢键、Mulliken电荷布居、结合能等,总结体系中的Jahn–Teller效应和结构稳定性规律。计算结果表明,随着层板上Cu2+取代Zn2+的增多,晶胞对称性变差,但铜的Jahn–Teller效应对中心三价铝离子的影响较小。CuxZn3-xAl-LDHs（x=0-3）体系中离子键基本上逐渐变强,共价键逐渐变弱,体系整体上由共价型晶体向离子型晶体转变。体系中Jahn-Teller效应导致的畸变会使主客体作用力增强,其中静电作用力减弱,氢键强度变大,且氢键作用更占优势。总体上,体系的结合能绝对值逐渐减小,体系稳定性降低。铜锌镁铝四元水滑石的微观结构探究:用密度泛函理论-赝势平面波法优化计算（M）-IV-LDHs（M=Zn, Mg, Cu）的结构和电子性质,探讨体系的畸变情况和稳定性,寻找铜在LDHs层板中的最佳排列位置。Jahn-Teller效应并不仅存在于d轨道未排满的Cu2+和Zn2+中,在p轨道未排满的Mg2+中也存在,且未饱和的d、p轨道共同影响着金属离子Jahn-Teller畸变的大小。从（Zn）-IV-LDHs、（Mg）-IV-LDHs到（Cu）-IV-LDHs,体系的平均金属畸变角ΔθOMO逐渐增大,体系获得了逐渐增多的Jahn-Teller稳定化能。其中,铜八面体逐渐从压扁的八面体向稳定的拉长的八面体形式转变。总体上,体系的结合能绝对值逐渐增大,体系趋于稳定,Cu在晶胞顶点的（Cu）-IV-LDHs构型是较理想的构型。镁锡水滑石中的超分子作用研究:通过模拟简单无机阴离子插层镁锡水滑石的微观结构,在层间加入不同个数的水分子,深入讨论客体阴离子、层间水分子以及主体层板三者之间的相互作用、成键、氢键分布、电子性质等。Mg3Sn-LDHs层间插入客体阴离子和水分子后,主客体间存在着较强的超分子作用力,主要包括静电和氢键作用,且氢键作用在水合过程中起主导作用。随着层间水分子的增多,层间距先增大后又稍降低。当y=0,1时,客体所在的平面与主体层板平行,且与两层板的距离基本相等;当y=2,3时,客体以偏向某一层板的形式存在。Mg3Sn-LDHs-yH2O体系的逐级水合能绝对值逐渐降低,说明Mg3Sn-LDHs的水合程度不会无限增加,而是具有饱和量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 水滑石（LDHs）材料的概述
• 1.1.1 LDHs 材料的结构
• 1.1.2 LDHs 材料的物理化学特性
• 1.1.3 LDHs 材料微观结构与功能的关系
• 1.2 LDHs 材料的应用现状及应用前景
• 1.2.1 催化作用
• 1.2.2 离子交换和吸附方面的应用
• 1.2.3 医药方面的应用
• 1.2.4 功能性助剂材料
• 1.2.5 光学方面
• 1.3 LDHs 材料结构与功能的理论研究进展
• 1.3.1 量子力学方法
• 1.3.2 分子力学方法
• 1.3.3 其它计算方法
• 1.4 本论文的研究目的、意义及内容
• 第二章 铜锌铝三元水滑石的畸变结构和稳定性
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型与方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 结构参数分析
• 2.3.2 氢键网络分析
• 2.3.3 Mulliken 电荷布居分析
• 2.3.4 结合能分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 铜锌镁铝四元水滑石的微观结构
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型与方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 结构参数分析
• 3.3.2 Jahn-Teller 效应分析
• 3.3.3 作用力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 镁锡水滑石中的超分子作用
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法与模型
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 几何结构参数
• 4.3.2 Mulliken 电荷布居分析
• 4.3.3 态密度分析
• 4.3.4 逐级水合能
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表及撰写的学术论文