Agn+1和AgnM(n=1-16,M=Sc-V)团簇的结构演变与电磁特性的理论研究

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银团簇作为一个过渡金属团簇,在许多重要的氧化还原和聚合反应中是一种非常良好的催化剂,其特殊的性能使它在物理、化学和材料等领域具有广阔的应用前景。近年来,为了赋予银团簇理想的结构和新奇的功能,银团簇掺入其它原子已在实验和理论上进行了广泛地研究。但是,对于过渡金属原子Sc、Ti、V掺杂的银团簇,前人的研究为数不多。因此,本文将对Agn+1和AgnM(n=1-16,M=Sc-V)团簇的几何结构,相对稳定性以及电磁特性进行系统地研究。首先,基于密度泛函理论(DFT)和CALYPSO结构预测方法,对Agn+1和AgnM(n=1-16,M=Sc-V)团簇的几何结构进行了优化处理,并得到了许多异构体。结果显示,所有掺杂过渡金属原子M在最稳定的AgnM团簇中明显趋于占据一个具有最高配位数的位置。相对于三维的基态Agn+1团簇,除Ag16V外,掺杂AgnM团簇的基态结构发生了明显的变化。此外,Agn+1团簇的基态结构与前人的计算结果是一致的。在Agn+1和Agn M(n=1-16,M=Sc-V)团簇的红外光谱和拉曼光谱中,平面构型团簇的吸收峰少于三维结构团簇的吸收峰,AgM二聚体具有相同的红外光谱和拉曼光谱图,同时,掺杂Agn M团簇的红外光谱中的最强峰都对应着Ag-M键的伸缩和弯曲振动。其次,基于原子平均结合能、离解能、垂直电离能、电子亲和能和HOMO-LUMO能隙,探讨了基态Agn+1和AgnM(n=1-16,M=Sc-V)团簇的相对稳定性、电子特性和化学活性。原子平均结合能的结果分析表明,随着团簇尺寸的增加,团簇的稳定性也增加,并且掺杂过渡金属原子M的银团簇的稳定性高于相同原子数的纯银团簇,尤其Ag15Sc、Ag14Ti和Ag12V三个基态团簇具有特别高的稳定性。离解能的计算结果显示,Ag15Sc,Ag14Ti和Ag12V团簇的最小分裂能分别在各自同类团簇的最小分裂能中是最大的,也暗示着它们具有较高的稳定性,这与基于原子平均结合能的分析结论是一致的。对于基态团簇的垂直电离能(VIP)和电子亲和能(EA),纯银团簇的计算值与已测得的实验结果符合较好,掺杂AgnM团簇的垂直电离能和电子亲和能未见实验数据报道,计算结果显示基态Agn+1团簇的垂直电离能和电子亲和能表现出奇偶振荡的特性,而掺杂后的Agn M团簇不再具备此性质。线性结构团簇的电子亲和能明显小于平面和立体结构团簇,Ag2团簇的电子亲和能大于相同线性结构AgM团簇。基态银团簇和AgnSc(n=2-16)团簇的能级间隙表现出奇偶振荡的特性;过渡金属原子Ti对银团簇的掺杂增大了奇数银团簇的能级间隙,减小了偶数银团簇的能级间隙;过渡金属原子V对银团簇的掺杂减小了偶数银团簇的能级间隙,而对奇数银团簇的能级间隙影响不大。此外,Ag15Sc和Ag14Ti团簇具有非常大的能级间隙,可以被视为超原子。最后,对基态团簇的总磁矩和掺杂原子的轨道电荷及轨道磁矩进行了相应的计算和分析。结果显示过渡金属Sc原子掺入银团簇后,除AgSc和Ag7Sc外,其它AgnSc团簇的磁矩等于相同原子数的银团簇的磁矩;AgnTi团簇(除Ag9Ti和Ag12Ti外)的磁矩变化表现出与Agn+1团簇磁矩变化相反的奇偶振荡性;过渡金属原子V对银团簇的掺杂的可以增大较小银团簇的磁矩,而对较大银团簇的磁矩影响较小。基态团簇的自旋态密度(SDOS)图显示强的态密度主要位于-5eV到-2eV范围内,掺杂过渡金属原子(Sc-V)明显改变了银团簇的自旋态密度。局域磁矩的计算表明,过渡金属原子M的局域磁矩和基态AgnM团簇磁矩的变化规律基本一致,掺杂团簇的磁性主要都来自顺磁性M原子,同时,M原子的磁矩又主要来自其未满的3d轨道。另外,原子间的电荷转移是引起掺杂AgnM团簇中过渡金属M原子磁矩变化的主要原因。
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