A1101254D

2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第17期, 2063～2069 ACTA CHIMICA SINICA No. 17, 2063～2069

* E-mail: zh4403701@https://www.wendangku.net/doc/6812139158.html,, Tel.: 139********.

Received January 25, 2011; revised April 12, 2011; accepted April 29, 2011.

国家自然科学基金(No. 51072072)资助项目.

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催化剂. Peng等[10]讨论了Pt基合金团簇的电子结构和表面原子排序对其催化性能的影响. 对于Pt二元和多元合金的催化报道还有Pt-Co, Pt-Ni, Pt-Fe[11], Pt-Pb[12], Pt-Ni-Cr[13], Pt-Ru-W[14], Pt-Co-Ni[15]等. Radillo-Díaz 等[16]用遗传算法和密度泛函理论对PtPd和PtNi合金团簇的几何结构和电子性质进行了研究, 给出了(PtPd)n, (PtNi)m, (PtNi3)s, (Pt3Ni)s (n＝2～28, m＝2～20, s＝4～6)基态结构, 并对它们的电子性质进行了探讨, 同时鉴于(Pt3Ni)s合金团簇的优越催化性能, 他们用密度泛函方法研究了CO在其表面的吸附性质.

最近本课题组对Pt n Ni m (n＋m≤5, n, m≠0)[17]和Pt n Ni m (n＋m＝6, n, m≠0)[18]合金团簇的结构、光谱以及磁性等进行了理论研究, 得出了一些有价值的结论. 为了进一步研究Pt-Ni合金团簇随原子数的增加结构和性能的变化规律, 我们在前面工作基础上对Pt n Ni m(n＋m＝7, n, m≠0)合金团簇的结构和稳定性、磁学性质进行了理论研究, 以期能为制备Pt-Ni纳米合金材料提供一定的理论参考依据.

1 计算方法

采用密度泛函理论(DFT)中的杂化密度泛函B3LYP 方法, 选用了双ζ价电子基组和相应的 Los Alamos 相对论有效核势(RECP), 即赝势LANL2DZ 基组, 这一基组通过有效核势进行标量相对论效应的修正, 适合于过渡金属体系. 在计算中对所有优化好的构型都做了频率分析, 都没有虚频, 说明得到的优化构型都是势能面上局域最小点, 而不会是过渡态或高阶鞍点. 我们在充分考虑自旋多重度的前提下, 对每一个具体尺寸团簇, 得到了多个稳定结构, 并根据能量高低确定了团簇的基态结构. 本课题组已经用该方法和基组对过渡金属W n团簇及其吸附体系进行了系统的研究[19～21], 其结果与实验符合的很好, 说明本文采用的方法和基组对过渡金属是合适的. 为了进一步验证所用方法和基组对该体系的有效性, 分别利用B3LYP方法在SDD基组和MP2方法在LANL2DZ下对二聚体PtNi进行了计算, 所得Pt—Ni的键长分别为2.290和2.490 ?, 与在B3LYP/ LANL2DZ水平上计算的键长(2.300 ?)相接近, 说明选用该方法和基组对该体系是合适的.

2 结果与讨论

2.1 几何构型

一般来说, 由于存在调换原子位置后空间几何结构的不等价性, 找二元合金团簇的基态结构比相应单一团簇要困难许多, 并且随着原子数的增加, 团簇可能结构的数量成倍增加. 为了找到Pt n Ni m(n＋m＝7, n, m≠0)团簇最低能量结构, 我们考虑了大量可能初始构型. 构造初始构型采用两种方式, 一是直接猜测的初始构型, 二是在B3LYP方法优化得到的Pt一元团簇稳定构型的基础上在不同的位置以戴帽、置换和填充三种方式构造初始构型. 在计算的所有结果中, 把没有虚频的结构定为稳定结构, 把能量最低且没有虚频的结构定为基态结构, 与基态结构能量接近的稳定结构称亚稳态. 图1给出了Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇的基态及其亚稳态构型. 以能量为判据, 各团簇其稳定性顺序是a＞b＞c…, 能量依次升高. 其中n a为Pt n Ni m团簇的基态结构, 其余的为亚稳态结构, S代表自旋多重度, ?E表示与基态的能量差. 图中所列出的亚稳态构型与基态构型的能量差一般在1 eV以下, 个别能量差较大的构型是为了便于比较而列出的, 图中颜色较深的为Pt原子, 较浅的为Ni原子.

Pt1Ni6的基态构型为五角双锥结构, Pt原子位于五角双锥的环上, 与纯Pt团簇[22]和纯Ni团簇[23]比较, 构型变化不大, 只是Ni(1)和Ni(3)原子距锥尖原子稍远; Pt6Ni1的基态构型可以看成是双戴帽四角锥结构, 有趣的是帽顶为两个Pt原子, 成的键与四角锥一对底边平行, 整个构型存在内在的空间旋转对称性, Pt(2)和Pt(3)原子分别与Pt(6)和Pt(4)原子互为等价位置, 与文献[22, 23]中纯Pt和纯Ni团簇比较, 构型变化较大, 明显找不到五角双锥的轮廓. 两者对称性都为C s, 多重度都为7重态, 平均键长分别为2.469和2.589 ?. 它们的异构体存在较大的差异性, Pt6Ni1的亚稳态较多, 构型与基态不同, 能量差很小, 且它们的对称性较低, 亚稳态从6b 到6f对称性都为C1, 6f与基态的能量差还不到0.400 eV. Pt1Ni6的异构体明显比Pt6Ni1少, 亚稳态1c到1f对称性虽很高但与基态能量差较大.

Pt2Ni5的基态结构为戴帽三棱柱结构, 两个Pt原子分别位于棱柱顶点和帽的顶角上, 其余的镍原子分布在棱柱的顶点上; Pt5Ni2的基态结构是畸形双戴帽四角锥型结构, 与Pt6Ni1不同的是该团簇有两个Ni原子, 帽的顶角上仍是两个Pt原子, 但成的键与四角锥底边不再平行, 而是成一空间二面角的关系, 这种构型也存在内在的空间旋转对称性, 只是空间旋转的方式不同. 两者的对称性不同, 分别为C s和C2 , 多重度分别是9和7, 平均键长分别是2.451和2.542 ?. 此结构以及后面介绍的两种团簇与文献[22, 23]中同原子数目的纯镍和纯铂基态构型差别悬殊无比较可言, 两者的亚稳态都比较多, 与基态的能量差值都比较小.

No. 1

张秀荣等：Pt n Ni m (n ＋m ＝7, n , m ≠0)团簇结构稳定性与磁学性质

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图1 Pt n Ni m (n ＋m ＝7, n , m ≠0)团簇的稳定结构

Figure 1 Stable structures of Pt n Ni m (n ＋m ＝7, n , m ≠0) clusters

Pt 3Ni 4的基态构型是畸形双戴帽四角双锥结构, 四角锥极不规则, 帽顶是由Pt 和Ni 两个原子组成, 构型仍有空间旋转对称性; Pt 4Ni 3的基态构型是不规则三戴

帽三角双锥结构, 三角锥底面有一Pt 原子, 另外三个Pt 原子分别构成三个帽顶. 三角锥底面有一Pt 原子可能是造成结构不规则的原因. Pt 3Ni 4和Pt 4Ni 3的对称性都为

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C s, 多重度都为7, 平均键长分别为2.488和2.517 ?.

从以上对Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇结构分析发现: 与纯铂或纯镍团簇相比, 掺杂原子使结构变的极不规则, 混合团簇存在的稳定构型数量较多, 且多以畸形戴帽四角锥、戴帽三角锥形式出现, 自旋多重度普遍较大, 对称性普遍较低. 从对称性较高的亚稳态来看, 它们都与基态能量差值较大. 从Pt和Ni原子的位置分布来看, Pt 原子趋向于分布在团簇表面, 而Ni原子更喜欢位于团簇中心, 这与 Radillo-Díaz等[16]的分析结果一致.

2.2 团簇的稳定性分析

平均结合能E b是反映团簇稳定性的主要依据, 对于相同原子数的团簇, 其平均结合能越大, 结构越稳定, 热力学稳定性也越好. 其计算公式如下:

E b＝[nE(Pt)＋mE(Ni)－E(Pt n Ni m)]/7

其中, E(Pt n Ni m)表示Pt n Ni m团簇的能量, E(Pt), E(Ni)分别表示自由Pt, Ni原子的能量. 图2给出了Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇平均结合能E一b随原子数n的变化关系, 为了比较Pt n Ni m掺杂团簇平均结合能和纯团簇的变化规律, 我们分别在图上画出了文献[22]纯Pt n团簇和文献[23]纯Ni n团簇随原子数n变化的趋势图, 由图2可以看出, Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇在尺寸大小一定的条件下, 当Pt 原子数n≤5时, 平均结合能随Pt原子数的增加而增大, Pt5Ni2团簇取得最大值, 说明Pt5Ni2团簇最稳定, 而当n＝6时, 平均结合能呈现出下降的趋势, 但是下降幅度很小. 与纯Pt团簇的平均结合能相比较看出, Pt n Ni m团簇的平均结合能与纯Pt团簇的走势大致相同, 随Pt原子数的增多而增加; 与纯Ni团簇比较发现, 纯Ni团簇的平均结合能随Ni原子数的增多而增加, 但是Pt n Ni m 团簇的平均结合能随Ni原子数增多反而减小, 这说明了在掺杂铂镍团簇中, Pt原子数越多团簇越稳定, Pt原子对团簇的稳定性起到了主导作用. 在相同尺寸条件下, Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇的平均结合能都比纯团簇Pt7的低, 说明Ni原子的掺杂降低了团簇的稳定性. 在与纯Ni7团簇比较发现, Pt n Ni m的平均结合能也都低于纯团簇Ni7, 说明相同尺寸下Pt-Ni掺杂团簇的稳定性同时也低于纯镍团簇. 图2也给出了Pt n Ni m(n＋m＝5, 6)团簇的平均结合能随Pt原子数增加的走势图, 可以看出, 这三种合金团簇的走势相吻合, 说明我们所得的结果是合理的, 而且值得注意的是这些合金团簇的稳定性都不及同尺寸的任意纯团簇. 为进一步分析原因, 图3给出了平均键长的比较, 一般来说团簇中原子之间的键长越短团簇越稳定, 反之键长越长稳定性越差. 由图3可以看出, Pt n Ni m(n＋m＝6, 7)团簇平均键长比任意纯团簇的都大, 从键长角度也证明了Pt-Ni掺杂团簇的稳定性要比纯团簇的要低. 导致这一结果的原因可能和Pt-Ni掺杂团簇中的Pt—Ni, Pt—Pt, Ni—Ni键的相互作用破坏了同尺寸纯团簇的几何结构、对称性, 形成了独特的电子结构有关, 从而造成了稳定性降低

.

图2 Pt n Ni m (n＋m＝5, 6, 7), Pt n, Ni n团簇的平均结合能Figure 2 Average bonding-energy of Pt n Ni m (n＋m＝5, 6, 7), Pt n, Ni n

clusters

图3Pt n Ni m(n＋m＝6, 7), Pt n, Ni n团簇的平均键长Figure 3Average bond length of Pt n Ni m(n＋m＝6, 7), Pt n, Ni n clusters

为了揭示团簇中Pt原子和Ni原子对团簇稳定性的贡献, 我们用NBO方法计算了团簇的Wiberg键级(WBI), Wiberg键级(WBI)是描述分子中相邻原子之间的成键强度的物理量, 原子之间Wiberg键级(WBI)越大说明它们之间的电子云越密集, 化学键就越稳定. 我们用团簇中的各个原子的键级相加然后除以原子数得到了它们的平均键级, 总平均键级能反映团簇的稳定性变化, 而Pt原子和Ni原子的平均键级能反映它们各自对团簇稳定性的贡献大小. 表1列出了Pt n Ni m(n＋m＝7) 团簇的Pt, Ni原子各自键级、平均键级和总平均键级.表1中的原子序号和图1中基态构型中的原子序号一致. 从表1看出团簇的总平均键级随着Pt原子数的增多先升高后降低, 当Pt原子数n＝5时, 也就是Pt5Ni2团簇取得最大值, 这一结论和前面平均结合能分析的结果完全

No. 1 张秀荣等：Pt n Ni m (n＋m＝7, n, m≠0)团簇结构稳定性与磁学性质2067

一致. 而且在各团簇中, Pt原子平均键级都大于Ni原子的平均键级, 说明在Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇中, Pt原子对团簇的稳定性要比Ni原子贡献的大, 从而验证了前面所得出的结论: 在掺杂铂镍团簇中, Pt原子数越多团簇越稳定, Pt原子对团簇的稳定性起到了主导作用.

2.3 磁性分析

在优化几何构型中, 充分地考虑了自旋多重度的影响, 即考虑了自旋极化, 也就是在寻找能量最低的基态时对不同的自旋方向使用了不同的轨道, 这说明基态的确定考虑了电子与电子之间的旋轨耦合, 而团簇的磁学性质与团簇中电子的旋轨耦合密切相关. 实验上很难对表1 Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇基态结构的总平均键级及各原子上的平均键级

Table 1 Total Wiberg bond index (WBI) and local average Wiberg bond index (WBI) of Pt n Ni m (n＋m＝7) clusters at the ground state

原子序号Pt1Ni6 Pt2Ni5 Pt3Ni4 Pt4Ni3 Pt5Ni2Pt6Ni1

1 1.139 1.324 1.381 1.629 1.396 1.404

2 1.416 1.324 1.182 1.727 1.396 1.498

3 1.389 1.291 1.182 1.473 1.663 1.499

4 1.416 1.291 1.500 1.629 1.65

5 1.499

5 1.107 1.384 1.463 1.443 1.663 1.652

6 1.204 1.38

7 1.501 1.382 1.883 1.499

7 1.537 1.435 1.501 1.443 1.883 1.579

Pt平均键级 1.537 1.411 1.488 1.615 1.749 1.538 Ni平均键级 1.279 1.323 1.311 1.423 1.396 1.404总平均键级 1.315 1.348 1.387 1.532 1.648 1.519团簇的磁学性能进行准确判定, 而理论可以获得团簇的磁矩, 从而可以获得与磁矩相互依赖的团簇结构性质,可以理解团簇的尺寸、几何和电子结构与磁性之间的关系. 我们在几何优化的基础上, 计算了Pt n Ni m(n＋m＝7)团簇的基态结构的磁学性质, 表2给出了Pt n Ni m基态结构的总磁矩及各原子上的局域磁矩, 表2中的原子序号和图1一致. 这里利用自旋向上和自旋向下的单电子数之差求得总磁矩, 单位为玻尔磁子(μB).

从表2看出, 对于Pt n Ni m团簇, Pt2Ni5的总磁矩最大, 为8.00 μB, 两个Pt原子的磁矩都很小, 总和为1.017 μB, Ni原子的总磁矩为6.983 μB, 原子间都是铁磁性耦合, 每个Ni原子的局域磁矩相差不大, 三戴帽三角锥底面两个Ni原子和帽上的两个Ni原子的局域磁矩各自相同, 分别为1.428和1.398 μB, 锥顶Ni原子的磁矩是1.329μB; Pt5Ni2的总磁矩最小, 为4.00 μB, Pt原子的总磁矩为1.302 μB, Ni原子的总磁矩为2.698 μB, 原子间都是铁磁性耦合, 这种戴帽四角锥结构由于存在空间旋转对称性, 位于两四角锥顶上的两个Ni原子处于等价位置, 磁矩都为1.349 μB, 有趣的是帽顶共线的两个Pt原子磁矩不同, 它们和对面的四角锥底边的两个Pt原子互为等价位, 磁矩分别是0.227和0.116 μB , 剩下的一个Pt原子是结构空间旋转中产生的两四角锥的共用占位, 磁矩只有0.516 μB. 从对前两种团簇的分析可以看出, 磁矩的分布与空间结构对称性有着必然的联系, 换句话说, 处在对称位置上的原子的局域磁矩是相同的. 最好的例证是看以下的几种团簇, 我们发现剩下的四种团簇有许

表2Pt n Ni m (n＋m＝7, n, m≠0)团簇基态结构的总磁矩和局域磁矩

Table 2Total magnetic moments and local magnetic moments of Pt n Ni m(n＋m＝7, n, m≠0) clusters at the ground state

团簇总磁矩原子局域磁矩团簇总磁矩原子局域磁矩

PtNi6 6.00 Pt(7) 0.158 Pt4Ni3 6.00 Pt(1),

Pt(4) 0.425 Ni(1),

Ni(3) 0.958 Pt(2) 0.540 Ni(2),

Ni(4) 1.091 Pt(3) 0.463 Ni(5), Ni(6) 0.872 Ni(5), Ni(7) 1.390

Ni(6) 1.368 Pt2Ni5 8.00 Pt(6) 0.602 Pt5Ni2 4.00 Pt(3),

Pt(5) 0.277 Pt(7) 0.415 Pt(4) 0.516 Ni(1), Ni(2) 1.428 Pt(6), Pt(7) 0.116

Ni(3), Ni(4) 1.398 Ni(1), Ni(2) 1.349 Ni(5) 1.329

Pt3Ni4 6.00 Pt(5) 0.436 Pt6Ni 6.00 Pt(2),

Pt(6) 0.713 Pt(6), Pt(7) 0.427 Pt(3), Pt(4) 0.712

Ni(1) 1.389 Pt(5) 0.909

Ni(2),

Ni(3) 1.040 Pt(7) 0.943 Ni(4) 1.241 Ni(1) 1.300

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化 学 学 报 V ol. 69, 2011

多共同点, 它们的总磁矩相同, 都为6.00 μB , 巧合的是它们对称性相同, 多重度也相同. Pt 1Ni 6团簇的共面五边形面上有两对等价Ni 原子, 磁矩分别是0.958和1.091 μB , 锥顶两个Ni 原子等价, 磁矩为0.872 μB , 唯一的Pt 原子在共面五边形的一顶点占位, 磁矩较小为0.158 μB . Pt 6Ni 1团簇可看成是内戴帽四角锥, 只有一个掺杂Ni 原子, 与Pt 5Ni 2磁矩分布截然不同, 它有两个Pt 原子构成构型内部存在的空间旋转对称的两四角锥的共用底边, 这两个Pt 原子磁矩差别非常小, 分别是0.909和0.943 μB . 和共用底边平行的另外两个边分别在内在两四角锥上原子的磁矩分别对应相等, 两者差别很小, 分别是0.713和0.712 μB . 对于Pt 3Ni 4和Pt 4Ni 3团簇的磁矩, Pt 原子的局域磁矩在0.500 μB 左右, 而Ni 原子的局域磁矩都大于1.00 μB . 由磁矩分析可以得出Pt n Ni m (n ＋m ＝7)团簇磁性的特点: 对称原子上的局域磁矩是相等的; Ni 原子在掺杂团簇的磁性中起主导作用; 磁矩与团簇的多重度密切相关; 磁矩在团簇具体原子上的分布与对称性紧密相关.

为了形象描述掺杂团簇中各原子的局域磁矩和它们对总磁矩的贡献大小, 图4画出了团簇自旋电子密度分布图. 电子自旋密度分布的定义为自旋向上的电子密度减去自旋向下的电子密度. 原子上的电子自旋密度越大, 说明此原子上的未配对的电子越多, 从而产生较强的局域磁矩, 对团簇的总磁矩贡献就越大, 反之贡献就小. 从电子自旋密度图可以看到, 在Pt 原子数n ≤5这些团簇中, Pt 原子的自旋密度很小, 几乎看不到, 说明

在这些团簇中Pt 原子周围没有未配对的电子, 几乎所有电子都形成了稳定的化学键, 而Pt 6Ni 1团簇中的Pt 原子周围有少量的孤立电子云分布, 说明在Pt 6Ni 1团簇中的Pt 原子提供的电子没有全部用来形成化学键, 某种程度上对团簇的稳定性造成了影响, 从而导致了Pt 6Ni 1团簇稳定性低于Pt 5Ni 1团簇的稳定性. 从整体上看Pt n Ni m (n ＋m ＝7)团簇的电子自旋密度主要分布在镍原子周围, 这也就是说未成对电子主要是由镍原子提供的, 表明Pt n Ni m (n ＋m ＝7)团簇的磁矩主要是由镍原子提供, 这和前面的分析是一致的.

3 结论

我们利用密度泛函理论中的杂化密度泛函(B3LYP)方法, 在LANL2DZ 基组水平上对Pt n Ni m (n ＋m ＝7, n , m ≠0)团簇的几何结构、稳定性和磁学性质进行了理论研究, 研究结果表明: (1)从结构和稳定性方面分析, Pt n Ni m (n ＋m ＝7)的基态结构都为不规则立体结构, 自旋多重度普遍较大, 对称性也较低; Pt 原子对Pt n Ni m 团簇的稳定性起到了主导作用, Pt 5Ni 2团簇最稳定. (2)从磁性上分析发现, Pt 2Ni 5的总磁矩最大, Pt 5Ni 2的总磁矩最小, 对称原子的局域磁矩是相等的, 虽然Pt 原子的总磁矩随着Pt 原子数增大由极少逐渐增加, 但从单个原子的磁性来看, Ni 原子在掺杂团簇的磁性中仍起主导作用

.

图4 Pt n Ni m (n ＋m ＝7, n , m ≠0)团簇基态结构电子自旋密度分布图

Figure 4 Electron spin density map of Pt n Ni m (n ＋m ＝7, n , m ≠0) clusters at the ground state

No. 1 张秀荣等：Pt n Ni m (n＋m＝7, n, m≠0)团簇结构稳定性与磁学性质2069

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