交换关联泛函近似方法对Ru催化剂上甲烷和乙烷形成的影响

密度泛函理论作为多相催化研究中的一个强有力工具,常被用于获得催化过程中关键的热力学及动力学参数,如吸附能、反应焓、活化能垒和速率常数等,理解密度泛函交换关联近似方法对于揭示催化剂的催化性能及机理至关重要,本文报道了六种不同的交换关联泛函近似方法,包括PBE、RPBE、BEEF+vdW、optB86b+vdW、SCAN和SCAN+rVV10,对金属Ru(0001)和Ru(1011)表面上甲烷和乙烷形成过程中涉及到的中间体的吸附能、反应能和活化能垒的影响,当基元反应中反应物和产物与表面的配位数不同时,理论计算的反应能大小强烈依赖于交换关联密度泛函的选择.对于涉及多个基元步骤的总反应,反应能的计算偏差会逐渐累积,从而导致不同的交换关联泛函近似方法之间的巨大差异.由于不同泛函对反应涉及到的中间体吸附能之间存在差异,交换关联泛函近似方法的选择显著地影响Ru(0001)表面上甲烷、乙烯和乙烷的选择性.然而,不同泛函近似方法对于Ru(0001)和Ru(1011)表面上基元反应的能垒以及结构敏感性影响不大.本工作不仅揭示了交换关联密度泛函近似方法在理论计算研究催化领域的局限性,也强调了选择合适的交换关联泛函方法对于正确评估催化剂活性和选择性的重要性.

密度泛函理论在分子磁学中的应用2.混合桥联三核镍配合物自旋交换作用

用密度泛函理论结合对称性破损方法 (ＤＦＴ ＢＳ)研究了混合桥联三核镍配合物的磁交换耦合作用 .这类化合物是由三唑和异硫氰酸根桥联形成的混合桥配合物 .计算表明 ,在标题化合物中 ,三唑桥传递反铁磁耦合作用 ,而异硫氰酸根桥传递铁磁耦合作用 ;并且 ,随着异硫氰酸根取代三唑桥的数目增加 ,配合物的铁磁作用增强 ,在一定意义上说明了混合桥磁耦合作用的加合性 .Ｍｕｌｌｉｋｅｎ自旋布居分析表明 ,无论是三唑桥还是异硫氰酸根桥 ,它们的磁交换作用机理都是磁中心的自旋离域 .分子磁轨道分析显示 ,对于三唑桥 ,在局域磁轨道之间存在着强的轨道作用 ,导致了反铁磁耦合 ;对于异硫氰酸根桥 ,局域磁轨道之间弱的相互作用 ,表现了铁磁耦合作用 .对标题化合物的研究说明了ＤＦＴ

异双核X-M之间的磁耦合交换作用:Keggin型杂多酸衍生物[M(H_2O)XW_(11)O_(39)]^(7-)(X=Fe~Ⅲ,Co~Ⅲ;M=Co~Ⅱ)的密度泛函研究

采用DFT-BS方法研究异双核的Keggin型杂多酸衍生物[M(H2O)XW11O39]7-(Ⅰ:X=FeⅢ,M=CoⅡ;Ⅱ:X=CoⅢ,M=CoⅡ)的磁耦合作用,计算得到耦合常数(J)为负值,表明所研究体系具有反铁磁性;J值大小顺序为|J(Ⅰ)|<|J(Ⅱ)|,说明磁耦合作用增强;体系Ⅰ与Ⅱ相比,X由FeⅢ变成CoⅢ,M不变,桥氧原子Ob和Ob2(Ob′2)上的自旋密度增大,进一步从相关BS态的磁轨道比较得出,体系Ⅱ中轨道重叠程度大于体系Ⅰ,结果使X-M之间的反铁磁耦合作用加强.

密度泛函理论的基本计算方法研究进展

密度泛函理论(DFT)作为处理多粒子体系的近似方法已经在凝聚态物理、材料科学和量子化学等领域取得了巨大成功并获得广泛应用。综述了密度泛函理论及其数值方法的发展历程和最新进展,重点对基本理论和各类交换关联泛函进行分析,并对DFT的发展趋势做出了展望。

大体系分区密度泛函计算方法

提出一种新的对大体系进行分区密度泛函计算的方法 .将大体系划分为若干较小的区 ,每个小区是一个相对独立的量子力学子体系 ,计及其它区势场的影响和电子的Pauli排斥作用 ,可以进行相对独立的密度泛函计算 .对各子体系求解单电子方程 :(FK+FKp)CK=SKCKεK K =A ,B ,C ,…式中FK,CK,SK,εK 分别为子体系K的Fock矩阵、轨道系数矩阵、基组重叠矩阵和本征值矩阵 ,FKp 起强制属于不同子体系的占据轨道之间保持正交的作用 .得到的轨道是分区定域化的 ,汇总各区的计算结果得出整个体系的电子结构信息 .通过对一些较大分子的计算 ,考察了几种因素对分区计算精度的影响 .结果表明 ,提出的方法是可行的 ,通过控制各区基组的大小 ,可以基本消除基组截断误差 ,得到精确的计算结果 .对于足够大的体系 ,本方法是一种线性标度算法 ;和文献报道的相关方法比较 。

双原子分子激发态势能的自旋相关局域Hartree-Fock密度泛函理论方法

基于自旋相关局域Hartree-Fock(SLHF)势函数,本文提出了一种计算双原子分子激发态势能的密度泛函理论(DFT)方法,并将该方法应用于H+2和H2的激发态势能曲线的计算.在只考虑交换能的情况下,本文的DFT计算结果与文献中精确方法和Hartree-Fock(HF)方法的结果符合的非常好,说明采用SLHF势函数作为交换势的DFT方法是一个很好的计算激发态势能的方法.本文还计算和探讨了电子的关联势函数和关联能,发现传统的近似方法在较大核间距的情况下大大低估了电子的关联能.

叠氮桥对双核镍配合物磁性影响的密度泛函理论研究

结合对称性破损(BS)方法,采用不同的密度泛函理论(DFT)对反铁磁性μ-1,3-N3-Ni(II)叠氮配合物[LNi2(N3)](Cl O4)2(L=pyrazolate)的磁特性进行了研究.结果显示,杂化密度泛函理论(HDFT)的计算结果与实验数据非常吻合,能够准确描述配合物的磁特性.磁轨道研究结果表明,配合物表现出较大的单占据轨道能量劈裂(0.93-0.99 e V),显示配合物的单占据轨道去简并化程度较大,且配合物中的2个磁通道(叠氮基、配体pyrazolate)中都分别存在有氮原子之间的p轨道重叠,这些都使得体系表现为反铁磁耦合作用.另外,配合物的磁性与叠氮桥和两金属离子间形成的二面角(τ,Ni-N-N-N-Ni)密切相关,τ从-55.38°逐渐变化到-1.5°的过程中,其反铁磁性逐渐增强,交换耦合常数(Jab)的绝对值逐渐增大,并在-11.95°处达到最大值(Jab=-151.02 cm-1).在此过程中,配合物中叠氮桥及其所连接的2个Ni离子与pyrazolate基配体L-中的2个桥原子N(4)、N(5)形成的七元环共平面性不断增强,即共平面性会诱导增强体系的反铁磁相互作用.

密度泛函理论在分子磁学中的应用1.单氧桥联双核铁(III)[Cl_3FeOFeCl_3]^(2-)磁耦合作用

通过对桥联双核铁 (III) [Cl3FeOFeCl3] 2 - 的磁耦合常数的计算 ,探讨了密度泛函理论计算条件对计算结果的影响 .基于密度泛函理论下的破损态方法 ,着重讨论了双核Fe(III) 2 的d5 d5 电子通过氧桥的超交换作用 .研究发现分子的反铁磁通道主要是Fe(III)的dyz和dz2 与 μ O的p轨道形成的 ,具有π /π 和σ /σ

氢键桥联双核铜配合物磁耦合的密度泛函研究

在密度泛函理论的基础上 ,应用对称性破损方法研究了氢键桥联双核铜模型配合物的磁耦合行为以及磁耦合常数随 O_ O距离的变化趋势 .计算结果表明 ,反铁磁耦合作用来源于 Cu原子的 dx2 - y2 和氧原子的 px 或 py 磁轨道的部分重叠 ,而 H原子不参与磁耦合作用 .磁耦合常数 J与 O_ O距离 r之间存在指数关系 ,而不是线性关系 .

自旋密度泛函理论在磁性研究中的成就与挑战

自旋密度泛函理论在磁性研究中的成就与挑战王鼎盛（中国科学院物理所，１０００８０北京）关键词自旋密度泛函；交换关联；磁性自从１９７０年左右开始用自旋密度泛函的理论方法处理固体电子间的交换关联作用以来，对磁性的研究取得了巨大的进展。用第一原理的计算，可以...

含时密度泛函理论及应用的最新发展

密度泛函理论在材料计算研究领域得到了广泛的应用,然而它无法处理含时问题和材料的激发态性质。Runge-Gross 定理奠定了含时密度泛函理论的基础,为研究这两类问题提供了有效的手段。经过三十多年的发展,含时密度泛函已被应用到量子化学、材料计算等多个领域,人们也更加了解其优势和不足。目前,含时密度泛函理论和方法仍在迅速发展。本文简要回顾含时密度泛函方法的发展历史,介绍近年来含时密度泛函在理论和应用方面的一些重要进展,总结当前在含时密度泛函领域存在的重要难题以及面临的挑战,展望其发展方向和趋势。

密度泛函中的自相互作用修正(SIC)

用一种简单的方法说明任何能量的密度泛函的自相互作用修正(SIC)。自相互作用的单电子势采用变分原理。在Hohenberg—Kohn理论框架下,通过引进了与轨道无关的单粒子势,和在Kohn-Sham框架下的局域势来修正。应用于一些用LSD方法会产生系统误差的物理问题上。结果表明当充分改进它的形状描述时,它正确收敛与交换关联域数值一致。

密度泛函交换关联势与过渡金属化合物光学非线性的计算研究

在优化几何构型的基础上 ,对一系列强关联过渡金属化合物 ,采用密度泛函理论方法中各种交换关联势计算了电子偶极矩、一阶光学极化率和一阶光学超极化率 .考虑基组和频率影响 ,对比从头算MP2 ,HF方法及实验值 ,评价了各种交换关联势的计算表现 .在此基础上 ,讨论新的混合密度泛函交换关联势 ,以提高密度泛函理论方法计算含有过渡金属体系非线性光学性质的精度 .

色关联的色噪声驱动的双稳杜芬模型的稳态分析

研究了由色关联的色噪声驱动的双稳杜芬模型的稳态概率密度函数及状态变量的均值和标准方差.首先应用一致有色噪声近似方法,推导出了具有色关联的色噪声驱动的双稳杜芬模型的稳态概率密度函数的解析表达式.分析了噪声的“有色性”及关联性对稳态密度函数和状态变量的均值、标准方差的影响,发现了一些由白噪声激励的杜芬模型中不会出现的新的非线性现象:加性噪声强度、噪声之间的关联系数和关联时间都能够诱导非平衡相变.

OH与PO反应中的O原子交换机理

使用UB3LYP和UMP2方法在6-311++G(3df,3pd)和6-311++G(d,p)基组水平下对OH和PO反应过程中的氧原子交换机理进行了研究.计算结果表明,由于HOPO分子的H转移势垒比HO-PO的键解离能小得多,所以在这个反应过程中氧原子能快速地交换.

非迭代冻结密度近似方法在计算氢键相互作用的合理性研究

为计算相互作用较弱的分子碎片之间的耦合能 ,Harris从密度泛函理论出发 ,提出了一种简化方法 ,即冻结密度近似 (FDA)方法 .对该方法在描述分子间氢键作用的合理性进行了验证 .对水分子间的HO┉H氢键、甲酰胺与水分子间的 NH┉O 氢键、二氟甲烷和水分子间的 OH┉F 氢键 ,以及DNA中的碱基 (AT ,GC )之间的N—H┉O ,N—H┉N等类型的氢键的计算表明 :若电子交换关联采用非定域自旋密度近似 ,FDA的计算结果同其他abinitio方法的计算结果以及实验结果都符合得很好 .FDA在计算过程中既不需要求解泊松方程 ,也不需要进行反复的自洽迭代 ,所以运算速度较快 。

温稠密参数下的双流不稳定性分析

温稠密物质状态是惯性约束聚变过程及天体演化过程中的重要物质发展阶段。随着密度的增加,量子效应逐渐显现并导致包括温稠密参数下集体激发行为与经典等离子体模型之间出现差异。密度泛函动理学方法是基于含时密度泛函理论建立的统计模型,并依据Wigner分布函数(相空间量子力学)发展的动理学输运方法,可以有效弥补经典等离子体理论对量子效应的忽略。基于密度泛函动理学方法,发现温稠密特征参数内费米狄拉克分布、交换关联效应、量子衍射效应等性质都对双流不稳定性起到抑制作用。密度泛函动理学方法有望为等离子体视角研究温稠密系统输运性质提供第一性的理论平台。

用含时密度泛函理论计算钠原子跃迁光谱

运用含时密度泛函理论和局域密度近似方法,计算出了Na原子的多个激发态能级和各能级电子波函数的实空间分布,并从中分析出其跃迁光谱Rydberg序列的主要特征谱线.计算结果与实验数据符合得较好,充分验证了密度泛函激发态理论的有效性.

含铀化合物UAl_3和USn_3电子结构的密度泛函研究

用第一性原理的全势能LMTO密度泛函能带计算方法研究了具有简单立方Cu3Au结构的含U化合物UX3(X=Al,Sn)的电子结构 .对于重原子U的相对论效应 ,除了用标量相对论加以修正外 ,还加入了自旋 轨道耦合的修正 .研究结果定性地说明了由于不同的交换关联电子势场的作用 ,在这两种结构相同的含U合金中 ,U的 5f电子态具有完全不同的性质 ,即在UAl3和USn3中U的 5f态分别表现为巡游扩展态和局域态行为 ,通过Stuttgart fatband分析 ,定量地对上述结论予以佐证 .同时 ,还解决了现存的有关理论研究之间的分歧 ,得出了与实验结果更为相符的上述两种含U合金体系电子结构的计算结果 .

无磁性HCP相铁在高压下的弹性性质计算

采用量子力学第一性原理出发的平面波赝势(PWP)方法,电子交换关联能采用广义梯度近似(GGA),在不引入实验参量的条件下,通过对无磁性HCP(广角密堆积)相的铁的总能进行从头计算,得到了无磁性HCP相铁的状态方程、不同压力下(0～500GPa)体系在平衡态时晶格常数c与a的比值以及不同压力下弹性系数、体变模量和声速的值,与实验符合较好,优于其它从头计算法得到的结果.说明了PWP加GGA方法在对无磁性HCP相铁作计算时的有效性.