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采用密度泛函理论(DFT)B3LYP与耦合簇(CCSD)方法,研究了气相中四重态和六重态势能面上Fe+催化N2O氧化H2的微观机理。采用分子轨道理论和自然键轨道理论(NBO)对反应势能面进行分析,并通过自旋-轨道耦合(SOC)计算,讨论了势能面的交叉情况和自旋翻转的可能性。用Kozuch提出的能量跨度模型,确定了整个反应的决速过渡态(TDTS)和决速中间体(TDI),最后计算了催化剂的转化频率(TOF),以评价催化剂的性能。
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第
50
卷
201
"1
年第
3
期
Vo
l.
50
20H No.3
西北师范大学学报(自然科学版)
Journal of Northwest Normal University (Natural Science)
Fe+
催化
N
2
0
与
H
2
反应的理论探究
王永成,李雅婷,蔡君,吴晶晶,甘延珍
(西北师范大学化学化一仁学院,甘南兰州
730070)
71
摘要:采用密度泛函理论
(DFT)B3LYP
与搞合簇
(CCSD)
方法,研究了气相中四重态和六重态势能面上
Fe+
催化
N
,()
氧化凡的微观机理.采用分子轨道理论和自然键轨道理论(
NB())
对反应势能面进行分析,并通过自旋轨道将合
的()c)计算,讨论了势能面的交叉情况和自旋翻转的可能性.用
Kozuch
提出的能量跨度模型,确定了整个反应的决
这过渡态
(TDTS)
和决这中间体(T
r
)J)
,最后计算了催化剂的转化频率(T
()F)
,以评价催化剂的性能.
关键词:搞合簇理论;密度泛函理论(D
FT);
最低能量交叉点
(MECP);
自旋轨道搞合
(S()
C)
;转化频率(T
()F)
中图分类号()
6"13.
1
文献标志码:八
文章编号
1001-988
X
(20H
)03-0071-08
Theoretical
investigation
for
the
reaction
of
N
2
0
with
H
2
catalyzed
by
Fe
十
飞!ý
ANG
Yong-cheng
, LI
Ya-ting
,
CAI
J
u 口,
WU
Jing-jing
,
GAN
Yan-zhen
(College of Chemistry and Chemical Engineering , Northwest Normal University, Lanzhou 730070 , Gansu , China )
Abstract:
In
this
paper
,
the
mechanism
日
of
the
gas
phase
reaction
日
between
N
2
0
and
H
2
catalyzed
by
Fe
have
been
investigated
u
日
i
口
g
den
日
ity
functional
theory(DFT)
B3LYP
functional
and
coupled
cluster
theory
(CCSD)
levels
of
theory
in
the
quartet
and
sextet
states.
The
potential
energy
surfaces
(PES)
are
characterized
in
detail
using
molecular
orbital
theory
and
natural
bo 口
d
orbital
(NBO)
analysis.
Crossing
points
betwee
口
the
different
potential
energy
surfaces
and
the
possibility
of
spin
inversion
are
discussed
by
spin-orbit
coupling
(
SOC
).
U
si
口
g
the
energetic
span
model
Kozuch
proposed
,
the
rate-determining
tran
日
lt
lO口
states(TDTS)
and
rate-determini
口
g
intermediates(TD
l)
are
confirmed
of
the
reaction.
Finally
,
turnover
frequency(TOF)
is
calculated
to
evaluate
the
performance
of
the
catalyst.
Key
words:
coupled
cluster
theory(CCSD);
de
口日
ity
functional
theory(DFT);
mmlmum
energy
crossing
point(
此
1ECP);
spin-orbit
coupling(SOC);
turnover
freque
口
cy(TOF)
近年来,金属离子活化小分子的反应在实验和
理论上受到化学家的广泛关注,特别是用金属原子
和离子催化消除大气污染物
(N
2
0 ,
CO
2
,
NO
,
N0
2
)
反应的实验研究日益活跃
Ll
J
该研究无论在大气
净化还是在工业生产上都具有重要的指导意义.
1981
年
Kappes
和
Staleyl2
J
首次发现
f
过搜金属离
子催化消除
N
2
0
和
CO
的第一个催化循环反应,
此后,有关
N
2
0
与过搜金属原子(或离子)反应的
收稿日期
2013-11-0"1
;修改稿收到日期
20H-01-20
基金项目叶家自然科学墓金资助项口
(21263023)
实验研究和理论研究报道相继出现
L
:J
.1J
Lavrov
等
L
:J
J
利用等离子体/选择离子流管
CICP/SLF
T)串联质谱仪对
59
种不同金属离子与
N
2
0
反应进行
f
实验研究,并对室温下运用金属
阳离子来减少空气中的
N
2
0
的动力学特征做
f
全
面探究,如反应(
1
).紧接着测量
f
催化循环反应
的第二个步骤,即一氧化金属阳离子与矶的反
应,如反应(
2 )
,而对于
FeO
的探究最为详细.
作者简介:王永成
(1956-)
,男,陕西户县人,教授,博上研究牛导师.主去研究方向为化学动力学.
E-mail:
yc
飞lI1
ang@163.
com
72
西北师范大学学报(自然科学版)
Journal of Northwest Normal University (Natural Science)
第
50
卷
Vo
l.
50
反应(
3
)为金属阳离子催化
N
2
0
氧化矶的总反
的几何构型基础上进一步采用相合簇
CCSD(T)/6
应
311
+G(d
,
p)
方法进行单点能校正.
M +
N
,
O
一
+MO
+凡,
MO
+
H
2
一
+M+H
2
0
,
( 1 )
( 2 )
N
2
0+
H
2
一,几十
H
2
O. ( 3 )
对于
FeO
与矶的反应,
Shaik
等
LéJ
用密度
泛函理论对该反应机理进行
f
研究,并{故
f
向旋搞
合计算
LGJ
有过
i
度金属参与的反应中,高自旋态过
i
度金属
复合物常常具有多个术成对电子,由于受配体与金
属
d
轨道之间电子的交换作用等因素的影响,导致
过搜金属在催化反应过程中很可能发生向旋翻转而
出现势能面交叉现象
LG-SJ
如
Koppen
等
L'
J
在研究
Fe
与矶的反应中发现激发态
Fe
CF)
离子要比
基态
Fe
(GD)
快
50
倍,认为该多态选择反应中由
于自旋翻转使反应沿低能反应路径进行.本文以催
化循环反应(
1
)和(
5
)为研究体系,用密度泛函理
论
(DF
T)计算方法,研究
f
反应体系在四、六重
态势能面上的反应机理,优化
f
不同势能面间的最
{~能量交叉点
(Minimum
e
时
rgy
crOSSl
吨
pomt
,
MECP)
,并计算(
MECP
处的系问窜越几卒,确
定
f
最低能量反应路径.最后运用
Kozuch
等
L0J
提
出的能量跨度模型,估算催化循环反应的转化频率
(TO
凹,分析确定
f
反应的决速态.该研究对于
人们理解
Fe
催化的重要反应提供
f
理论依据.
Fe
+
N
,
O
一+
FeO
+凡,
( 1 )
FeO
+
H
,一
+Fe+H
,
O.
(5)
1
计算方法与理论背景
1.1
几何构型的优化
密度泛函理论
(DFT)
已广泛用于过搜金属化
学的理论计算,计算结果的可靠性已被研究学者所
公认
LJ
oJ
文中采用
Becke
三参数交换泛函,并结
合
LypLllJ
相关泛函(即
B3LYP
方法
)Ll
l
」,对
N
,
O
,
H
采用
6-311
+
+G(3d
f,
3pd)
基组,对
Fe
采
用
Chiodo
的
DZVP(op
t)基组并添加三个术缩合的
纯角动量
j
函数
LJ
2J
对反应体系势能面上的所有
反应物、中间休、过
i
度态和产物的几何构型进行全
参数优化,通过频率分析证实
f
各反应物、中间体
和产物的能量为局部极小,各过搜态有唯一振动虚
频.对各势能面上的每一个鞍点进行内禀反应坐标
(l
RC)
计算,确认
f
每个基元步骤过搜态的可靠
性.为获得更精确的相对能量值,在巳
3LYP
优化
文中运用
Yoshizawa
等
L
J:j
J
报道的内禀坐标单
点垂直激发方法,得到两个反应势能面的交叉点
(Crossing
Point
,
CP)
,再以
CP
构型为依据,运
用
HarveyLJ
Jj的方法优化得到最低能量交叉点
(MECP).
文中的主要计算丁-作运用
Gaussian
03
程序完成
LJ
éJ
自然布届和成键分析使用
NBO
5.0
程序完成
LJGJ
1.2
自旋-轨道辑合常数的计算
MECP
附近的自旋轨道搞合(
SOC)
常数计算
用
GAMESS
程序包完成
LJ
, J
依据单电子近
f
以自
旋轨道搞合
Hamiltonian
算利进行计算
LGJ
自二号;二半(
~~
)的.
t ,
?
α
2
e
2
h
tπmk2.
(6)
其中,
L
改为轨道角动量算利
S
,为自旋轨道角动
量算衍.为
f
减少单电子
Hamiltonian
算利中双电
子部分能量的误差,同时使用有效核电荷数
Z~
代
替
Z
元'以弥补相对论效应所带来的损失,
Z~
可以
从屏蔽核电荷
LJ
sJ
中得出.
基于非绝热理论,对于一个分子通过不同向旋
态交叉点的系问穿越的跃迂几率
plS(
反映
f
非绝热
反应的速卒,其中跃迂几率由
La
叫
au-Ze
时
r
公
式
LJ0
川」计算:
LZ
二
exp(
且彗巴/
μ
),(7)
Y
飞
h
I
LF
I '\f 2
(E
- E
MEP
)
/.
plS(
二(1
+
pLZ
) (1 _
pl
立).
( 8 )
其中
H
s
川、为不同向旋态的自旋轨道搞合作用
能
LF
为
MECP
处两势能面梯度差
;μ
为
MECP
处体系的约化质量
E
为反应物的相对能量;
E
M1TP
为
MECP
的能量.
1.3
能量跨度模型
催化转化频率
(Turnover
frequency
,
TOF)
是
评价催化剂活性的重要指标,实验中
TOF
m
通过
测定单位时间内单位浓度催化剂的转换数得到.近
期,
Kozuch
根据催化转化频率
(TOF)
的定义,将
Eyring
公式代入
Christian
日
E
口的速率常数矩阵
M
(去表示)中,得到用
Gibbs
自由能指数表示的
M
矩阵(G-表示)
,建立
f
描述催化循环过程的能量跨
度模型,自然也得
:-Hr
可通过计算反应态的
Gibbs
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