d-Fe晶面电子结构及其与氨合成催化性能关系的量子化学研究

分别用DV-X_α和薄膜层EHMO方法计算铁原子簇Fe_9、Fe_(15)和α-Fe(111)、(100)、(110)三个晶面的电子性质.在上述三个晶面中,(111)面表面原子的排列最为疏松,从态密度分析可知:(111)面表层d带最窄,费米能级附近总的态密度、d轨道态密度和dxz、dyz轨道的电子密度最高,有利于N_2的化学吸附与活化,从而对这三个晶面催化活性的差异作出了合理的解释.     

Co(0001)表面S原子对CO分子吸附性质的影响

催化工业中,残余物S原子不仅能使催化剂中毒,而且对CO分子的烷化反应有较大负面影响.在实验和理论研究方面,S原子对CO分子吸附性质的影响有不同的结论[1].例如,Zhang et al[2]理论研究结果表明:在Rh(111)表面S原子对CO分子吸附几乎没有影响,二者具有短程相互作用的本质.而Lahtinen et al.[1]对Co(0001)表面共吸附实验结果表明:S原子对CO分子吸附有一定的影响.     

固氮酶活性中心的结构和反应机理

1973年以来,各国许多学者提出了各自不同的固氮醇活化模型和作用机理。但都是考虑Mo原子既是吸附分子氮的中心,又是还原氮的中心。他们的设想主要建立在模型化合物体系还原氮成功的基础上。我们分析了Mo在固氮酶中价态,根据实验结果推测应为Mo(111)。从配位化合物取代反应理论考虑,Mo(111)为惰性反应。不宜作活化氮吸附中心。此外,我们又分析了固氮酶和钼铁硫簇化合物的许多性质。提出固氮酶催化还原底物应有双中心机理协同完成。一个是由二个Fe原子组成的吸附N_2中心,另一个是钼铁硫原子簇组成的电子还原中心。讨论了反应速率的决定步骤是电子传送。对固氮酶中Fe作底物吸附中心的可能性罗列了大量实验结果进行论证。并讨论了氮分子在二个Fe之间η_2吸附方式对活化氮最有利。用双中心机理顺利地解释了固氮酶的各种反应性。     

H和B原子在有序态Ni3Fe表面的吸附

采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理方法,对H和B原子在有序态Ni3Fe合金(111)表面的吸附进行研究.结果表明,B原子在有序态Ni3Fe合金(111)表面的吸附能远低于H原子,从而更容易被有序态Ni3Fe合金(111)表面吸附,形成稳定结构.这导致H原子在有序态Ni3Fe合金表面的吸附机会大大减少,降低了有序态Ni3Fe合金在氢气中的环境氢脆.进一步的电子结构分析表明,H原子的表面吸附能高于B原子是由于H原子在有序态Ni3Fe合金(111)表面吸附时,H原子的反键态被推到了费米面以上所引起的.     

溶氧水在Fe（001）表面吸附的第一性原理研究

为了研究溶解氧含量对Fe基换热表面腐蚀行为的影响机理,根据第一性原理,对O2单分子、H2O单分子和溶氧水体系在Fe基换热表面的吸附进行了研究,采用GGA/PBE,近似计算吸附过程中的吸附能量、态密度及布居数变化。计算结果表明:含氧水溶液中溶液与Fe基表面存在表面吸附,水分子趋向于顶位吸附,氧分子趋向于Griffiths吸附;H2O分子在Fe(001)表面吸附而相互作用时,引起了界面双电层电荷分布的变化,使Fe原子失去电子带正电,导致表面电位发生变化;O2分子在Fe(001)晶面吸附时,促使Fe(001)表面原子失去电子,表面电位增加,O2分子与表面Fe原子易于发生电子转移,其中O原子的2p轨道对于O2分子在Fe(001)晶面的吸附起主要作用;随着溶氧水体系中O2分子所占比例的增大,吸附能的绝对值也随之增加,Fe基换热表面相互作用更强。研究探明了不同溶氧量对Fe基换热表面腐蚀的影响规律,为实验研究金属基体腐蚀机理提供了理论参考。     

固氮酶活性中心厦门模型Ⅲ上络合分子氮的量化计算

本文采用群轨道EHMO方法,对分子氮在蔡启瑞提出的“固氮酶活性中心结构”厦门模型Ⅲ上络合的两种方式,即在活性中心1Mo-2Fe三核金属上进行双端基加单侧基μ_3(η~2)络合及单端基加双侧基μ_3(η~2)络合,作了量子化学处理。结果表明:两种方式络合后的分子氮,其两个氮原子的重叠集居数,比络合前的大为减少,极大地削弱N≡N中的参键,活化了氮分子;两种方式络合氮分子的络合键能均显著;但在总能量和络合键能两方面,单端基加双侧基络合皆较有利;络合后模型化合物上的两个氮原子,均带负电荷,易为亲电子试剂(如H~+)进攻,结合生成氨或其它含氮化合物。其它的金属原子和非金属原子所带的净电荷数,也与该原子常见的是金属或非金属的性质相符。从而。由量子化学角度证明了1Mo-2Fe活性中心的合理性。     

费托催化剂η-Fe_2C(011)上CO吸附与活化行为

低温Fe基费托催化剂的主要活性相是_η-Fe_2C,CO在该催化剂上的吸附与活化行为是Fe基费托合成反应的重要步骤。为了从原子尺度上研究这一过程,本文基于密度泛函理论计算,在η-Fe_2C(011)完美表面和缺陷表面上对CO的吸附和活化行为进行了系统的对比研究。计算结果表明,CO在完美表面上的最稳定吸附位为与表面Fe结合的Top位,但活化前驱体位于三齿空位。CO直接解离路径因为能垒太高在_η-Fe_2C(011)完美表面上很难发生,而以HCO为中间体的H辅助CO解离路径则更有优势。当_η-Fe_2C(011)表面产生C空缺时,其生成的四齿空位成为CO的最稳定吸附位和活性位。同时,CO的直接解离能垒大幅下降,这导致CO直接解离和以HCO为中间体的H辅助解离路径可能同时发生。     

酶催化与非酶催化固氮成氨

讨论了共边双立方烷原子簇结构的固氮酶活性中心模型和固氮酶大多数底物μ_5-(η~2)型的络合方式。设计了合成FeMo co模型化合物的方法,重复性较好地得到FeMo co模型化合物粗结晶样品,这种样品具有所预期的Mo:Fe:S~*:Cl元素比、较高的催化活性和选择性,以及一定的组合固氮酶活性(约为FeMo co重组活性的3-6％)。根据这个模型,较圆满地阐明十多种底物的酶促反应机理,包括统一地解释了N_2,Ar,CO或CN~-四者分别存在下的酶促放H_2机理。根据实验和文献资料,提出比较精细的二步ATP驱动的电子传递机理,能说明Mortenson等观察到的ATP/2e比值随ATP/ADP比值变化的情况。扼要讨论了氨合成铁催化剂的原子簇活性中心本质,N_2化学吸附的可能模式,以及在铁催化剂上氨合成缔合式机理的一些论据。指出了固氮酶与铁催化剂在配位络合和催化作用的密切关系。     

α-Fe表面铁原子簇对分子氮的活化吸附模型的EHMO计算

最近,我们采用EHMO电荷自洽法,进行了α-Fe表面铁原子簇的能级、电荷及其对分子氮活化的量化计算。有关参数与铁原子d、s、p组态的选择是通过铁原子簇及N_2的分子轨道能级计算值与实验值的比较。参见表一至表四。铁原子所选用参数与Anderson新近铁原子簇的计算所选用参数基本一致,参见表五。计算表明,细致地选择参数,可以克服Cooper所指出同时选用3d4S4P态对Fe_2的计算的实际偏差,参     

化学模拟生物固氮——ⅩⅣ EHMO法研究环丙烯等固氮酶底物的μ_3η~2型络合方式和分子氮还原加氢中间态

迄今所知的固氮酶十来种底物中,除极少数例外,大多数都是末端具有三重键(或环丙烯型的准三重键)的小分子。从这些底物的已知酶促反应和在固氨酶活性中心的相对配位亲合力,我们曾推断这些底物分子很可能是以相同的μ_3(η~2)型方式络合在固氮酶活性中心上的,并在此基础上提出了并联双座双立方烷型原子簇结构的活性中心模型。同时指出,对于那些末端有三重键但无“尾巴”的底物分子,如N≡N,C≡N~-,和HC≡CH,在三核活性中心(1Mo—2Fe)进行μ_3(η~2)型络合,有两种可能的方式即双端基加单侧基型络合和单端基加双侧基络合。本文报导了EHMO近似计算和定性的分子轨道讨论结果。结果表明:在环丙烯情况下,双(准)端基加单侧基型络合比单(准)端基加双侧基型络合在能量上要有利得多,而且它的络合键能相当大;在N≡N和HN≡C(假想的异氢腈酸)情况下,双端基(或准端基)加单侧基型络合比单端基加双侧基型络合在能量上亦较为有利;乙炔的情况也是这样,但两种络合方式的络合键能之差比较小。这些结果与下述的实验事实是一致的:环丙烯是固氮酶的底物,而且是N≡N酶促还原加氢的强竞争性抑制剂;两种按μ_3(η~2)型方式络合的炔烃过渡金属原子簇络合物都已发现。环丙烯和N≡N在三核活性中心的双端基(或准端基)加单侧基型络合也能较     

Fe(CN)_6~(3-/4-)在铂电极上氧化还原过程的表面拉曼光谱研究(英文)

本文运用共聚焦显微拉曼仪结合特殊的电极表面粗糙方法首次获得了Fe(CN)_6~(3-/4-)在铂电极表面氧化还原过程的拉曼光谱图。研究结果表明Fe(CN)_6~(3-)在电极表面的吸附能力比Fe(CN)~(4-)强,它们都是通过CN上的N原子和电极表面成键而发生化学吸附的。     

苯在氢型八面沸石表面上的吸附

本文在一个简化的沸石表面原子簇模型上,采用CNDO/2方法研究了苯在沸石表面上六种吸附模型的电子结构。结果表明:沸石表面上的Brnsted酸中心是催化的活性中心;离域π络合物吸附态应属亍早期吸附态;在定域σ络合物吸附态中,吸附分子被活化;同时还探讨了吸附态之间的转变。     

Au(111)表面(非)共面配体-吡啶与Fe配位形成自组装网络结构

选用4个吡啶端基共面与非共面的两种分子(分子I:5,10,15,20-四(4-吡啶基)卟啉;分子II:四(4-(4-吡啶基)苯基)甲烷)分别与Fe配位,在Au(111)表面成功自组装形成二维配位网格结构,并探究了二维受限环境对非平面分子自组装的影响.超高真空扫描隧道显微镜实验发现,分子I主要通过Fe原子四配位形成正方形结构;分子II主要通过Fe原子三配位形成蜂窝状结构;对比发现非共面的吡啶端基除与Fe配位形成二维网络结构外,其余的吡啶端基可能成为进一步修饰Fe原子的模板,实现了表面配位结构的功能性.     

甲醛在Ir(111)面吸附的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论对甲醛在Ir(111)表面top,bridge,fcc和hcp位的吸附模型进行了构型优化和振动频率分析。结果表明,甲醛在Ir(111)表面的最稳定的吸附构型是O原子和C原子分别与各自最邻近的Ir原子成键,整个甲醛分子像座桥搭在这两个Ir原子的上方,C-O键与Ir原子表面法线呈86.0°的倾角。该稳定的吸附构型为η~1-C-η~1-O构型,吸附能大小为0.78e V。通过对比吸附前后甲醛的振动频率,发现吸附后-CH2的对称与反对称伸缩振动频率均发生了蓝移,而C-O键的振动频率发生红移,说明了吸附过程中CH_2O的C-O键被活化。     

固氮酶反应中铁蛋白与MgATP配位的化学模拟

以[Fe_4S_4(SCH_2Ph)_4]~(-2)作为氧化态铁蛋白4Fe-4S中心的模型化合物,化学模拟研究表明,ATP能与[Fe_4S_4(SCH_2Ph)_4]~(-2)原子簇结合,促进原子簇与亚甲蓝之间的氧化还原反应速率,并敏化原子簇中的Fe(Ⅱ),使其易与亚铁螯合剂反应,用正庚烧作萃取刑,在原子簇-ATP体系没有检测到游离的HSCH_2Ph,ATP没有置换原子簇中的—SCH_2Ph,这表明作为电子活化剂的ATP可能通过其磷酸根与Fe_4S_4原子簇结合。     

含氮宾或卡宾的金属羰基簇合物的结构化学研究Ⅱ——Fe_2(CO)_6(PhNCONPh)的合成和结构

Fe_2(CO)_6(PhNCONPh)簇合物是由[Et_3NH][HFe_3(CO)_(11)]和C_6H_5NCO在苯中反应获得。应用四园衍射仪测定了该簇合物的晶体结构。晶体学数据:C_(19)H_(10)O_7N_2Fe_2,空间群P2_1/n,a=8.5062(1),b=13.2752(1),c=18.9038(2)(?),β=98.96(2)°,Z=4和D_c=1.643gcm~(-3)。结构系用直接法解出,最后R 因子为0.031.结果表明,题目簇合物分子是由苯代脲基C_6H_6—N—C(O)—N—C_6H_5中的N 原子,分别和(OC)_3Fe—Fe(CO)_3中的两个Fe 原子键合而成。使各两Fe 与N 原子和一个C 原子形成变形的双三角锥构型。     

四核链型M—Fe—S（M=Mo,W）原子簇化合物的成键特征

用MAD—SCC—EHMO法计算了3个4核链型M—Fe—S(M=Mo,W)原子簇化合物[Fe_2S_2(MoS_4)_2]~(4-)、[Fe_2S_2(MoS_2O_2)_2]~(4-)和[Fe_2S_2(WS_4)_2]~(4-)的电子结构,根据计算所得的分子轨道能级、轨道特征和Mulliken约化重叠集居等数据,对其成键性质进行了分析。指出了在簇合物的成簇过程中,由于电子从Fe原子转移到M原子,使得簇合物中M的表观氧化态低于碎片M_2S_2X_2~(2-)中M的表观氧化态,本文还根据Mulliken约化重叠集居和电荷密度变化的分析,给出簇合物电子的离域性顺序([Fe_2S_2(MoS_4)_2]~(4-)>[Fe_2S_2(MOS_2O_2)_2]~(4-)>[Fe_2S_2(WS_4)_2]~(4-))。     

HCl气体在烧结矿表面的吸附机理及特性

基于密度泛函理论,对HCl气体在烧结矿表面的吸附机理进行模拟计算,并且通过实验研究了不同反应温度、烧结矿粒度和HCl气体流量条件下烧结矿表面吸附HCl气体的特性规律.结果表明：HCl在α-Fe2 O3(001)表面的最大吸附能为-175.91 kJ·mol-1,为化学吸附. Cl原子与基底表面的Fe原子发生反应结合成Cl-Fe键.吸附后Fe-O键长变短,Fe-O键能增加,结构更紧密. Cl原子与Fe原子结合成键后,削弱Cl原子与H原子的结合.温度对烧结矿吸附氯元素量的影响较大,随着温度升高,氯元素吸附量逐渐增多;随着烧结矿粒度增大,氯元素吸附量逐渐减少;随着HCl气体流量的增加,氯元素吸附量迅速增加.     

基于第一性原理的氯盐环境下混凝土中钢筋锈蚀特性分析

为了阐明氯盐环境对混凝土中钢筋锈蚀反应的影响机理,采用基于密度泛函理论(DFT)中的第一性原理,运用CASTEP软件包建立了O2分子与Cl原子在Fe(100)表面的吸附模型,研究了Cl原子的存在对O2分子吸附于Fe(100)表面的吸附能、几何结构和表面电子特性的影响.结果表明,Cl原子的存在会增大O2分子与Fe(100)表面之间的吸附能和O2分子键长,减小O原子之间共价键,从而促使O2分子向基底表面靠近,并使得铁基底更容易失去电子,同时增大了Fe原子层向O原子的电子转移量.因此,Cl原子的存在会导致O2分子与基底Fe原子的相互作用增强,从而促进了O2分子的裂解以及基底表面原子间的成键,进而从微观尺度上证明了氯盐环境会显著促进混凝土中钢筋锈蚀氧化反应.     

稀土助催的合成氨铁催化剂的研究

本文报道了新研制成功的含氧化镧的合成氨铁催化剂HL_(111b),这种催化剂活性高,450℃时出口氨超过部颁标准,优于目前工业用催化剂.425℃时,除A_(110)外它们互相接近.通过催化剂表面结构的初步研究,表明HL_(111b)催化剂含有镧与铁的互化物,同时稀土富集在晶界上,促进了Fe对N_2的吸附能力,因而提高了催化剂的活性.