红外光谱技术在水合钛离子团簇结构预测中的应用研究.docx

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1、自然界中存在各种各样的离子，而水作为一种重要的溶剂，与离子结合会形成各种水合离子团簇，本文的主要目的就是通过红外光谱技术推测出水合钛离子团簇的稳定结构。红外光谱技术常被应用于预测水合离子团簇的稳定结构，通过OH键振动频率的迁移推断金属离子与水分子之间的相互作用情况，得到红外光谱图，并进一步推测水合钛离子团簇的稳定结构。本毕业设计使用MaterialSStUdio简单搭建出了所需要使用的四种小尺寸水合钛离子团簇结构模型，并进行了简单优化，再采用Gaussian,进一步优化模型，使模型更趋向于真实环境下的稳定结构，在此模型基础下，进行简谐振动模拟，得到红外光谱图。对比四种水合钛离子团簇稳定结构模型

2、，测量结构模型中的键长键角，尝试对比数据得到规律，同时，对红外光谱图进行对比分析，探索结构模型与红外光谱图的关系。最后，查阅相关资料，结合数据对比所得规律，得到最后的结论。关键词：团簇稳定结构；水合钛离子团簇；红外光谱；几何优化ABSTRACTThereareavarietyofionsinnature,andwater,asanimportantsolvent,combineswithionstoformvarioushydratedionclusters,andthemainpurposeofthispaperistoinferthestablestructureofhydratedtit

3、aniumionclustersbyinfraredspectroscopy.Infraredspectroscopyisoftenusedtopredictthestablestructureofhydratedionclusters,infertheinteractionbetweenmetalionsandwatermoleculesthroughthemigrationofO-Hbondvibrationfrequency,obtaininfraredspectra,andfurtherpredictthestablestructureofhydratedtitaniumionclus

4、ters.ThisgraduationprojectusesMaterialsStudiotosimplybuildthestructuremodeloffoursmall-sizehydratedtitaniumionclustersthatneedtobeused,andsimplyoptimizesit,andthenusesGaussiantofurtheroptimizethemodel,sothatthemodelismoreinclinedtothestablestructureintherealenvironment,andonthebasisofthismodel,simpl

5、eharmonicvibrationsimulationiscarriedouttoobtaininfraredspectroscopy.Thestablestructuremodeloffourhydratedtitaniumionclusterswascompared,thebondlengthbondangleinthestructuralmodelwasmeasured,andthelawwasobtainedbycomparingthedata,andtheinfraredspectrumwascomparedandanalyzedtoexploretherelationshipbe

6、tweenthestructuralmodelandtheinfraredspectrum.Finally,consulttherelevantinformation,combinethelawsobtainedbydatacomparison,andobtainthefinalconclusion.Keywords:Clusterstablestructure;Hydratedtitaniumionclusters;Infraredspectroscopy;Geometricoptimization第1章绪论11.1 引言11.2 团簇的研究意义11.3 团簇的研究背景21 -3.1国内外研

7、九现状21.4 红外光谱技术41.5 Ti元素简介51.6 软件介绍51. 6.1MaterialsStUdiO软件51. 6.2GaUSSlanF5第2章水合钛离子团簇71.1 水合钛离子团簇的稳定结构与红外光谱图72.1.1水合钛离子团簇稳定结构图72. 1.2红外光谱图102. 2.3小结12第3章结论13参考文献14致谢16第1章绪论1.1 引言1956年E.M.beck从喷泉束中发现氢分子的冷凝即氢原子的团簇形成，团簇的研究发展到今天，已经有七十年的历史，在这七十年的时间里，人们发现了团簇的特殊地位，即团簇作为集结体，其性质既不同于固体液体，也不同于单个原子分子，而且其并不能通过二者

8、的简单内插和线性外延得到。团簇是介于微观原子、分子与宏观凝聚态之间的物质结构新层次，具有确定的原子数量和精确可控的几何与电子结构。团簇作为各种物质由原子分子向大块物质转变过程中出现的特殊物相，代表了凝聚态物质的初始状态网。所以，团簇又被人们称为“第五态”。南京大学于1985年成立了团簇研究组，在溅射团簇、自由团簇、支撑团簇、嵌埋团簇和团簇构成纳米固体等方面，取得一些重要成果。2022年4月7日，我国国家自然科学基金委员会发布了一项通告，即：团簇结构、功能及多级演化重大研究计划2022年度项目指南，我们可以通过该项通告发现，对团簇将近七十年的研究使得目前国内外对团簇的研究中心从基础研究走向了应用

9、研究凶。1.2 团簇的研究意义团簇被人们称为“第五态”，从这一名字中我们就可以得知其特殊地位，因此对团簇的研究具有重大意义，而团簇研究也是一门多学科交叉的学科并逐渐发展成一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科，团簇研究有助于我们认识大块凝聚物质的某些性质和规律阿。在研究团簇时，人们获得团簇的方法主要选择人工制造得到，这是人们进行团簇科学研究时的一大基础。目前团簇的产生方法分两大类：物理方法和化学方法UI物理方法包括：载气超声速喷嘴源、激光蒸发团簇源、溅射团簇源、液态金属离化团簇源以及磁控溅射团簇源。化学方法包括：水解、共沉淀、溶剂蒸发等常用的化学方法。图1-1是实验人员采用193nm紫外

10、激光人工解离制得的金纳米团簇，使用的就是物理方法：激光蒸发团簇源。本毕业设计研究的水合钛离子团簇属于分子团簇，一般通过人工物理方法制得。过渡金属纳米团簇是一类可获得原子级精确结构的新型纳米材料，具有合成简便、几何电子结构信息明确、催化活性位易于调控等诸多优势，不仅可以帮助我们理解金属材料的结构转变规律，同时应用于催化剂模型分子的精准设计与构筑，有望从原子水平上揭示催化作用机制与构-效关系规律，进而带来重要的科学发现川。水在自然界无处不在，其作为一种重要的氢键体系和溶剂I网，会与钛相互反应，形成水合钛离子团簇。钛与水分子的相互作用可能表现出催化作用I。对于催化应用，由于金属纳米团簇高的分散性、确

11、定的组成和原子精确且可调的结构，使得金属纳米团簇成为一种模型催化剂，有利于人们更好地理解催化剂结构与活性之间的关系“1.3 团簇的研究背景1.3.1 国内外研究现状一直以来，关于团簇研究的一些基本问题，即：弄清楚团簇如何由原子、分子一步步发展而成，以及随着这种发展，团簇的性质将如何变化，当尺寸多大时，团簇发展成宏观固体。团簇演化过程中，从原子分子到大块的固体晶体结构，随着演化过程的进行，团簇的结构时时刻刻都在发生变化，其性质也随着改变。在这一演化过程中，存在一个点，即从微观世界走向宏观世界的点，当过了这个点，就会从分子原子转化成大块固体的晶体结构。在这个点之后，除了原子分子的增加，其性质将不会

12、再发生改变。这个点被称为“关节点”。需要了解到的就是，不同物质具有不同的关节点，深入探究“关节点”，也是团簇研究的一个重要课题。T.B.Ward等人通过脉冲超声速膨胀中的激光蒸发产生钛-水复合物,在飞行时间光谱仪中选择质量，并使用氯复合物预离解红外激光光解光谱进行研究，密度泛函理论计算提供了这些离子的结构和振动光谱。O-H拉伸区域的光谱表明，这些复合物中的水是完整的，即使插入的结构被计算为更稳定。尽管Ti（H2。）+的基态被确定为四重态，但对Ti（H2）AF的预测和观察是一个双重态。氨气的附着改变了该体系的电子基态】。图1-2为T.B.Ward等人在实验过程中发现的，图中只有3554cm1和3

13、462Cm”的两条谱带,这是具有偏离C2对称轴的氨原子的二氤络合物的预期行为。这导致A旋转常数变的更小，并且K型旋转结构不再能够被解析。3500355036003650370037503800finl图1-2通过消除氮检测到得Ti（H2）Ar+络合物的红外光解离光谱（上迹）。下面的轨迹分别显示了具有四重态或双重态的配合物的部分分辨旋转结构的模拟】。1.3.2 未来的发展趋势对于团簇的研究，已经逐渐从基础研究走向应用研究，长时间的探索过程中，存在一些问题需要被解决，它们阻碍了人们的研究进程，主要是以下几个方面：（1）应探明在团簇演化过程中，随着演化的逐步发展，团簇的结构和性质的变化过程；（2）纳

14、米尺寸团簇原位压成纳米材料的界面结构和性质的关系及其随时间的变化，新型纳米材料合金和实用的纳米陶瓷的制备和性质；（3）尝试找寻某些理论方法，使人们可以快速有效搭建出团簇的结构，判断出团簇的各种性质，并能在实验中观察到其结果，以指导实验制备新材料；（4）需要找到一种快速有效的方法和技术是人们在实验中可以直接确定团簇中原子的位置；（5）采取一些方法，使团簇束可以达到固定的尺寸以及进行量产，使团簇应用走向产业化；（6）尝试发展相关技术，使人们可以做到对团簇结构的精准把控。而这些问题，主要是团簇的产生以及团簇构型的辨别两个方向的，这表明未来团簇研究的发展方向将趋向于这些方面。本文探究红外光谱技术在水合

15、钛离子团簇结构预测方面的应用，符合团簇研究发展趋势。然而，目前红外光谱技术仅应用于较小尺寸范围的水合钛离子团簇的结构预测，鲜少有较大尺寸的结构预测。因此，红外光谱技术在较大尺寸范围的水合钛离子团簇的结构预测方面需进一步的研究。1.4 红外光谱技术二十世纪初，第一张有机化合物的近红外光谱图被人们运用捏谱的方法获得，这是红外光谱技术的开端，人们当时已经预测到这将成为一种崭新的分析手段应用到各个领域之中，但由于当时的计算机技术、化学计量学等各个方面的发展略有落后，人们无法有效便捷的使用该项技术。20世纪80年代，随着化学计量学、计算机技术的发展，近红外光谱技术迅速发展，成为一门独立的分析技术，尤其是在快速、无损检测技术的研究及应用，近红外光谱分析技术迎来了春天L但我国这项技术起步较晚，一直到九十年代初，我国开始大力发展各种分析技术，才致使红外光谱技术开始在我国普及，推动了红外光谱技术在我国的发展进程，使人们在团簇研究领域取得了诸多成果。红外光谱技术利用红外线与物质分子的振动和转动状态相互作用的特性。红外线作为电磁波的一种，它会引起物质中分子的运动状态发生改变，使得分子中几种特定能级的基态跃迁至激发态，进而使连续的电磁波谱上产生吸收信号。团簇的形成是原子逐步演化而成的过程，最终形成宏观的固体结构。在演化过程中，分子中几种特定能级的基态将跃迁到激发态，使分子中的键原子产生振