金属内嵌富勒烯la2@c112及sc2@c112电子及光谱性质理论研究

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1、硕士学位论文金属内嵌富勒烯La2@C112及Sc2@C112的电子及光谱性质理论研究ELECTRONICANDSPECTRAINVESTIGATIONSONENDOHYDRALFULLERENES：La2@C112ANDSc2@C112王泊宁哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O641.12+1学校代码：10213国际图书分类号：540密级：公开理学硕士学位论文金属内嵌富勒烯La2@C112及Sc2@C112电子及光谱性质理论研究硕士研究生：王泊宁导师：周欣副教授申请学位：理学硕士学科：物理化学所在单位：理学院答辩日期：2015

2、年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde×:O641.12+1U.D.C:540DissertationfortheMasterDegreeinScienceELECTRONICANDSPECTRAINVESTIGATIONSONENDOHYDRALFULLERENES：La2@C112ANDSc2@C112Candidate：WangboningSupervisor：AssociateProf.ZhouXinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：Ph

3、ysicalChemistryAffiliation：SchoolofScienceDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要内嵌富勒烯的研究，主要集中于单原子、双原子及化合物的研究，随着内嵌富勒烯的团簇的种类多样化、尺寸不断变大，对富勒烯结构的要求越来越高。当前寻求适合物质内嵌的碳笼、研究不同种类内嵌富勒烯的性质变化，以及拓展富勒烯的实际应用价值逐渐成为研究重点。对内嵌富勒烯性质的研究

4、，主要集中在活泼性、应用价值、制备的可能性上。目前，实验和计算研究主要集中在第二、三副族的金属上。本文对金属La与Sc内嵌富勒烯进行了探讨。根据内嵌富勒烯的稳定性和实际中制备的可能性，主要研究Cn（n>100）大环富勒烯。以元素La与Sc为代表的稀土元素在光学、材料、生物医药有很好的应用活性。本研究选取112个碳组成的富勒烯C112，利用Cage软件得到了C112的860161个异构体，分别筛选出符合IPR规则（无相邻五元环）和NIPR规则（有相邻五元环）的异构体。在NIPR异构体中，根据PAPR（pentagonadjacencype

5、naltyrule）规则，筛选出PA2的NIPR富勒烯异构体。采用DFTB（DensityFunctionalBasedTightBonding）方法对3324个IPR异构体进行优化计算，选取能量差值在10kcal/mol内的异构体。采用B3LYP/3-21G方法进一步优化结构，筛选出100个IPR富勒烯异构体，最稳定的空笼富勒烯异构体是符合IPR规则的D2:860117结构。对满足要求的IPR和NIPR异构体表面加上-6个电荷，选取能量差值在10kcal/mol内的异构体，并采用B3LYP/3-21G//B3LYP/6-31G*方法

6、进行优化及能量校正，得到5个能量最低的IPR与NIPR的富勒烯异构体，最稳定的C-6112结构为C2:860078。碳笼内金属的位置是实验与计算共同关心的问题，对于IPR富勒烯，内嵌金属的最小能量位置是金属位于轴两侧相对的六元环内侧，对NIPR富勒烯，两个内嵌金属的能量最小位置分别位于轴两侧五五环公共边与相对的六元环内侧。位置选取后，在能量最低的前5种C-6112中内嵌金属La2和Sc2，La2@C112与Sc2@C112计算单点能，最稳定的结构都是IPR规则的C112(C2:860078)结构。频率计算证明能量最低的10个内嵌金属富勒

7、烯都是势能面上的极小值。利用配分函数得到了La2@C112不同异构体在3000K以内的热浓度曲线，在500-1400K范围内，浓度最大的内嵌富勒烯异构体为La2@C2:860078，其浓度随温度升高单调递减，在1400K时La2@C2:860136与La2@C2:860078浓度相似，超过1400K后，La2@C2:860136浓度超过La2@C2:860078且在所有异构体中比重最大。从Sc2@C112的热浓度曲线得出，在0-4300K范围内，浓度最大的内嵌富勒烯异构体是I哈尔滨工业大学理学硕士学位论文Sc2@C2:860078，随温

8、度升高单调递减，Sc2@D2:860117浓度随温度升高增大，在1354K时达到最大值28.4%，随后，温度继续上升，Sc2@D2:860117浓度开始下降，3000K后浓度趋于稳定为14.7%。红外及拉曼