南极冰表面上ClONO2与Cl-的反应机理研究

文章采用量子化学中的密度泛函理论计算方法B3LYP和基组6-31G(d,p),研究了ClONO2 Cl-(H2O)n→NO-3(H2O)n Cl2(n=0,1)的反应机理。研究发现,随着参与反应的水分子数n的增加,反应活化能垒降低。计算结果表明,在冰表面上,水通过氢键的参与和水化,对该反应起到一定的催化作用,这与实验观察到的结果一致,可以解释南极春季平流层出现的臭氧空洞。     

南极冰表面上ClONO2与Cl-的反应机理研究

 采用密度泛函理论计算方法B3LYP和基组6-31G(d,p),对ClONO₂+Cl-(H₂O)_n^→Cl₂+NO₃^-(H₂O)_n(n=0,1,2)的反应机理进行了理论计算研究.研究发现,随着参与反应的水分子数n的增加,反应活化能垒降低.计算结果表明,在冰表面上,水一方面通过氢键的参与形成环形团簇复合物降低活化能;另一方面,水分子作为桥,辅助分子间质子发生迁移,加快反应进程,对反应起到一定的催化作用.这与实验观察到的结果相一致.     

BrONO2与Cl(2P3/2)的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,在6-31G*基组下,研究了Cl(2P3/2)+BrONO2→BrCl+NO3和Cl(2P3/2)+BrONO2→Br+ClONO2的反应机理.计算得到各可能反应途径的过渡态,并通过内禀反应坐标(IRC)分析加以证实.反应Cl(2P3/2)+BrONO2→BrCl+NO3有两种可能的反应途径,其活化能垒相差比较大.途径I和途径II的活化能垒分别为89.5 kJ*mol-1和61.2 kJ*mol-1,该反应为放热反应,放出的热量为73.4 kJ*mol-1.反应Cl(2P3/2)+BrONO2→Br+ClONO2的活化能垒为47.8 kJ*mol-1,该反应为吸热反应,吸收的热量为6.3 kJ*mol-1,这与大部分实验者的推论相一致.反应Cl(2P3/2)+BrONO2→Br+ClONO2的活化能垒比较低,为47.8 kJ*mol-1,认定反应容易进行.反应Cl(2P3/2)+BrONO2→BrCl+NO3途径II的活化能垒低,主要按途径II的反应途径进行.     

甲醛与臭氧反应机理的理论研究

从量子化学理论角度探讨了甲醛在有水条件与无水条件下的臭氧氧化机理.主要应用密度泛函中的MPW1K方法,结合6-31+G(d,p)基组优化了反应物、中间体、过渡态以及产物的结构,并计算了各个化合物的振动频率.通过内禀反应坐标的计算确认了反应物、过渡态和产物的相关性.为了得到准确的能量信息,用HL方法进一步精确计算了反应路径上所有结构的能量.结果发现,在有水条件下甲醛与臭氧反应活化能更高,对反应不利.     

N2O在Pt(111)表面的吸附结构

基于密度泛函理论和周期平板模型,通过Nt-T,Nt-T-O-T,Nt-B-O-T,Nt-B-Nc-T和Nt-T-Nc-T五种吸附结构研究了N2O分子在Pt(111)表面的吸附,发现Nt-T位是最稳定的吸附位,且吸附主要是通过末端Nt原子与表面作用.从吸附结构分析了N2O分子在Pt表面可能的解离过程.     

Si（001）-2×1重构表面吸附锂原子的第一性原理研究

采用六层硅原子超原胞模型,基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）用广义梯度近似（GGA）和有效核势数值基函数组,模拟了锂原子在S i（001）-2×1重构表面上的吸附.模拟中采用三种不同的初始构型,优化计算结果都显示在吸附锂原子后,S i（001）-2×1重构表面的二聚物基本消失,锂原子在新表面的四个硅原子形成的空位上方时体系能量最低.同时还分析了二聚物中两个硅原子的＂亲电子＂性以及费米面附近态密度的变化.     

CH_2FCHF_2与富氧自由基HOOO反应机理的理论分析

采用密度泛函理论方法研究了富氧自由基HOOO与CH2FCHF2分子的反应机理.用MPW1K和BHandHLYP方法结合6-31+G(d,p)基组优化了反应势能面上各驻点的几何构型.用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法对过渡态进行了验证.对所有的驻点进行了CCSD/6-31+G(df,p)∥MPW1K/6-31+G(d,p)的单点能量计算.CH2FCHF2分子具有的2种构象分别指定为CH2FCHF2-a,CH2FCHF2-b.结果表明:当HOOO进攻CH2FCHF2-a时有2条分支路径,其中HOOO进攻CH2F基团中H原子时发生的反应为最可几反应机制;当HOOO进攻CH2FCHF2-b时,HOOO抽取CHF2基团中H的通道的反应势垒比HOOO抽取CH2F基团中H的通道的势垒低,即生成物CH2FCF2为此反应中的主要产物.     

铂类化合物催化氯代丙烯羰基化反应机理的理论研究

采用密度泛函理论,在B3LYP/6-311G**/RECP水平下对铂类化合物催化氯代丙烯的羰基化反应进行了理论计算研究,对势能面上各稳定点进行了全几何参数优化,通过频率分析确认了过渡态,并采用内禀反应坐标(IRC)进行了验证,用连续介质模型(PCM)计算了在CH2Cl2溶液中的溶剂化效应.结果表明,此标题反应有3条反应通道:π,σ和π+σ作用通道.比较发现,对于π+σ作用通道,反映在势能面上速控步的能垒最低,为标题反应的主反应通道.同时还发现当体系中的CO浓度增大时,活性催化体由Cl2Pt(PH3)2通过依次离去配体PH3生成Cl2Pt(CO)PH3和Cl2Pt(CO)2,其最有利的反应通道为类π+σ作用通道.     

新鲜多孔硅(001)表面结构与电子特性理论研究

在周期边界条件下的k空间中,采用基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA)平面波超软赝势法,建立H12S i31几何模型来对表面主要被H覆盖的新鲜多孔硅(Porous S ilicon,PS)(001)表面最外层的S i—H键的几何结构和电子特性进行初步的理论研究.计算得到氢化PS(001)表面几何结构S i—H键长为0.148 nm、H—S i—H键角为106°,并通过原子布居数、电子密度图分析得到氢化PS表面原子的电子特性.     

电场对表面结构的影响

用局域密度泛函理论研究了电场对表面结构的影响。计算采用了从头计算赝势和平面波加局轨道混合基的第一性原理方法,并用在真空层中插入平行所研究表面均匀电荷层的方法来模拟外电场,解释了长期以来没有解释清楚的Ｗ（００１）ｃ（２×２）场离子显微镜实验,得出了电场对表面结构影响的规律。     

单态卡宾(CH2)与臭氧O3反应的热力学和动力学研究

在量化计算的基础上,运用统计热力学和Wigner校正的Eyring过渡态理论研究了98.15~2 298.15K温度范围内单态卡宾(CH2)与臭氧(O3)反应的热力学和动力学性质,给出了有关的计算数据,表明单态卡宾与臭氧反应在低温下具有热力学优势,高温下具有动力学优势.对于单态卡宾与臭氧的两条反应通道,通道2不仅具有很强的自发性,而且在动力学上更易进行.     

HCNO与F反应机理的理论研究

利用量子化学计算方法,采用密度泛函理论(DFT)研究了大气环境中F与雷酸(HCNO)分子反应的机理.在6-311++G**和6-311G**基组水平上,优化得到了反应物、过渡态、中间体和产物的几何构型;在B3LYP/6-311++G**优化的构型基础上,利用CCSD(T)/6-311++G**方法对各驻点的单点能量进行校正;通过振动分析对过渡态和中间体构型进行了确认.计算结果表明:F与HCNO分子的反应有两种不同的反应机制.其中,F加成到HCNO分子中O原子上消去OF基团的反应是主要反应通道,P1(HCN+OF)为主要产物.     

OClO+NO→ClO+NO2反应机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法研究了OClO NO→ClO NO2反应的微观机理,在B3LYP／6—31 G^*水平上优化得到反应路径上的反应物、过渡态、中间体和产物的几何构型，通过频率振动分析对过渡态和中间体进行了确认，研究结果表明，该反应是多通道的放热反应，分别可以在单重态和三重态势能面上进行，OClO与NO通过加成—消除机理形成离解产物ClO NO2，从能量上看，单重态通道比三重态通道更容易进行，整个反应放出热量为149．000kJ／mol。     

冰表面结构及其物理特性的新探索

冰是自然界中最广泛存在的物质之一,对人类生存乃至整个自然界变化都有重要的影响,因此对其本质的研究一直吸引着科学家们的广泛兴趣．尽管上百年来科学界对冰的各种形态及其相变规律做了大量研究,但对冰的表面结构及其相应物理化学性质的了解仍然非常有限．近几年来,我们在冰表面的结构及其物理化学特性的研究中取得了一些新的进展．首次提出了可以描述冰表面氢原子（悬挂OH键）结构有序度的序参量,并发现冰表面结构在融化前比体内更加有序的现象．进一步的研究显示冰表面序参量跟冰表面分子空位的形成和小分子的吸附有着密切的联系．序参量大也就是悬挂OH键排布越不均匀的冰表面的分子越容易形成空位,而分子吸附也越容易发生．     

丙烯腈水解反应机理的理论研究

采用密度泛函方法研究了丙烯腈的水解反应,设计了2条水解途径,并在B3lyp/6-31++G(d,p)水平上优化了反应过程中的反应物、中间体、过渡态及产物的几何构型.途径A的第1步是水分子先进攻丙烯腈的C≡C中的C原子,同时H转移到CC的另一个C原子上,在第2步中,另一个水分子进攻C≡N中的C原子,H原子转移到N上.经历一个扭转过渡态后,在第4步中,与N原子邻近的羟基上的H原子转移到N原子上,形成最终的产物酰胺.其中第1步的能垒最高,为52 kcal/mol,故为途径A的速度控制步骤.途径B的第1步是水分子先进攻C≡N,然后第2个水分子进攻CC,后面的过程与途径A类似.该途径也是第1步的能垒最高47 kcal/mol,故为途径B的速度控制步骤.研究结果表明途径B比途径A更优势.     

乙烯酮自由基(HCCO)与臭氧(O3)反应势能剖面的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G**水平研究了基态乙烯酮自由基HCCO(2A″)与臭氧分子O3反应机理,全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型,并在此水平优化的几何构型基础上,使用CCSD(T)/6-311G**方法进行了单点能校正,另外,用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法,对过渡态进行了验证.结果表明:乙烯酮自由基HCCO(2A″)与臭氧之间有很强的反应活性,按不同的反应通道生成不同的产物P1-P8,而产物P1-P6的反应活化能稍低,则产率相对较高,且均为放热反应.     

Density functional theory study on the insertion reaction mechanism of dibromocarbene with formaldehyde

The insertion reaction mechanism of CBr2 with CH3CH2O has been studied by using the B3LYP/6-311G(d) and CCSD(T)/6-311G(d) at single point. The geometries of reactions,transition state and products were completely optimized. All the transition state is verified by the vibrational analysis and the internal re-action coordinate (IRC) calculations. The results show that reaction (1) is the dominant reaction path,which proceeds via two steps: i) two reactants form an intermediate (IM1),which is an exothermal re-action of 8.62 kJ·mol?1 without energy barrier; ii) P1 is obtained via the TS1 and the H-shift,in which the energy barrier is 44.53 kJ·mol?1. The statistical thermodynamics and Eyring transition state theory with Wigner correction are used to study the thermodynamic and kinetic characters of this reaction in temperature range from 100 to 2200 K. The results show that the appropriate reaction temperature ranges from 200 to 1900 K at 1.0 atm,in which the reaction has a bigger spontaneity capability,equi-librium constant (K) and higher rate constant (k).     

Density functional study on mechanism of CO oxidation with activated water on O/Au （1 1 1 ） surface

With density functional theory, the mechanism of water-enhanced CO oxidation on oxygen pre-covered Au （111） surface is theoretically studied. First, water is activated by the pre-covered oxygen atom and dissociates to OHads group. Then, OHads reacts with COads to form chemisorbed HOCOads, Finally, with the aid of water, HOCOads dissociates to CO2. The whole process can be described as 1/2H2Oads ＋ H2Oads ＋ 1/2Oads＋ COads→H3Osds ＋ CO2, gas. One CO2 is formed with only 1/2 pre-covered oxygen atom. That is why more CO2 is observed when water is present on oxygen pre-covered Au （111） surface. Activation energy of each elementary step is low enough to allow the reaction to proceed at low temperature.