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纳米氧化物表面水化层的桥结构 — 量子化学及从头算分子动力学 缪强 忻新泉 南京大学化学化工学院 2003.11 郑州 • 纳米团簇表面结构理解与理论设计 • 氢氧化铁水合物的脱水 脱羟反应 • 纳米氧化铁团簇表层中的桥结构 • 水合双核Al(III) 中的羟桥结构 纳米团簇表面结构理解与设计 • 纳米材料特异性 巨大的表面体积比 • 通过表面显示其物理和化学性能 • 纳米团簇表面结构 表层结构与环境 • 表面结构 纳米材料设计的重要关键 • 密度泛函方法与从头算分子动力学 金属盐与碱的反应 • Zn(II)盐 Cu(II)盐在溶液中与碱反应得 Zn(OH)2 和Cu(OH)2 在固相反应得ZnO 和CuO • Fe(III)盐与碱无论是在溶液中反应还是低 温固相反应都只能得到氢氧化铁水合物 氢氧化铁水合物的脱水 脱羟 • 高温加热条件下氢氧化 铁及水合物逐步脱水 脱羟桥生成Fe2O3 • 100ºC前: 自由水 吸附 水 • 100 ~ 180ºC :配位水 • 180 ~ : 脱羟桥 纳米氧化铁 • 10万倍电镜照片 • 颗粒直径约1nm 纳米Fe2O3局域结构 与表层结构 固相 通过氧桥连接 • α-Fe O : Fe(III) 2 3 • 氢氧化铁水合物: Fe(III) 通过羟桥连接 在室温条件和通常的大气环境中 纳米 • : Fe2O3 其表面通常吸附有一薄层水 • 纳米Fe2O3 的表层结构: Fe(III) 原子可能通 过氧桥或羟桥连接 从头算分子动力学 CPMD • The CPMD code is a plane wave/pseudopotential implementation of Density Functional Theory • Particularly designed for ab-initio molecular dynamics CPMD主要特点 • works with norm conserving or ultrasoft pseudopotentials • LDA, LSD and the most popular gradient correction schemes; free energy density functional implementation • isolated systems and system with periodic boundary conditions; k-points • molecular and crystal symmetry • wavefunction optimization: direct minimization and diagonalization CPMD主要特点二 • geometry optimization: local optimization and simulated annealing • molecular dynamics: constant energy, constant temperature and constant pressure • path integral MD • response functions • excited states • many electronic properties CPMD计算概要 CPMD模拟纳米Fe O 团簇的模型