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Pd6簇与H2分子相互作用的密度泛函理论研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2OO4年第62卷 第l8期,1775~l779 化学学报 ACTA CH【MICA SINICA V01.62.2OO4 No.18.1775~l779 Pa6簇与H2分子相互作用的密度泛函理论研究 王延金n 张敬来 ( 河南大学化学系曹泽星 ’。 开封475001) 张乾二。 厦门361005) (n厦门大学化学系固体表面物理化学国家重点实验室摘要通过相对论有效核势密度泛函理论计算,优化了Pd6(U)2和Pd6(U)4等簇的平衡几何结构,预测了氢分子在Pa6簇 表面上的吸附行为与活化解离性质.计算结果表明,单态的Pa6簇可以活化两个氢分子;第一个H2和第二个H2吸附解离 过程速率决定步骤的能垒分别是66 4和24.5 kJ/mol 在形成的分子氢配合物Pa6(u2) ̄Pa6(n)2H2中,H2主要作为给电子 配体.在最稳定的二氢簇合物Pd6(n)2中,H倾向与3个Pd相互作用,形成面位氢的多核成键吸附方式. 关键词 和 }I4簇,分子H2的吸附与解离,DFT/B3LYPit ̄ Density Functional Theory Study on the Interaction of Pd6 with Multiple H2 WANG,Yan—Jin。 ZHANG,Jing—l_ai CAO,Ze—Xing '。 ZHANG,Qian—Er。 (。Department ofChemistry,State研laboratoryfor Physical Chemistry fSoloid S ̄aces,Xiamen University,Xiamen 361005) ( Departmet nfChemiosty,trtenan Uru ̄mity, 扣 475001) Abstract Equilibrium geometries of Pd6H2,Pd6(H)2 and Pd6(H)4 clusters and multiple H2 adsorption and dissociation on P were investigated by density functional theory calculations with the relativistic effective COre potenti1.Praesent calculations show that barriers of the rate—determining steps for the fistr H2 and the second H2 activation prcessoes ale 66.4 and 24.5 kJ/tool,respectively.In the dihydrogen complexes the Ha—ligand behaves as donor in the molecular bonding between H2 and Pa6.Chenfisorbed hydrogen atoms prefer to bind the Pd3 facet of Pd6 in the most stable hydride complex Pd6(H)2. Keywords Pa6 and Pa6H4 cluster,H2 adsorption and disscioation,DFF/B3LYP clculaation 过渡金属原子团簇与H'相互作用的理论研究,有助于 理解金属表面结构在H2分子催化活化过程中的作用,近来, 究表明,吸附在Pa3和Pd4上的第一个H2分子很容易被Pd 原子簇活化;但第二个H2的活化解离:Pd3(H)2+H2Pa3(H)4 和Pd4(H)2+H2Pd4(H)4,由于产物Pd3(H)4和Pd4(H)4在热 受到广泛的重视.氢原子在Pd表面上的吸附与反应过程是 界面科学研究中的重要体系之一,理论研究指出,吸附在金 属Pd表面上的H2很容易被金属钯活化_l J.实验研究表 明,Pd表面吸附态H的解离只需要88.2~100.8 kJ/tool能 量,是过渡金属中所需能量最小的 .因此,H原子很容易从 Pd的金属表面脱附出来,与其它物质进行反应,使得Pd在 催化H2与其它物质进行的化学反应中,有着十分广阔的应 用前景. 力学和动力学上都是不稳定的,反应不可能进行.最近,我们 研究了多个H2分子在三重态Pd6(T)簇上的吸附和活化过 程_l引.计算结果显示,Pd6簇的三重基态可以活化第二个H2 分子,且速率决定步骤的能垒比活化第一个H'分子的能垒 低.尽管Pd6簇八面体的三重基态构型(D4^对称性)比其次 稳定的八面体单态构型(D4^对称性)能量约低29.4 kJ/tool, 但单态的多氢簇合物却具有更高的稳定性.本文将应用相对 论有效核势密度泛函计算,进一步调查多个}{2在单重态P 簇八面体构型的端位上的吸附性质和活化解离机理. 最近,不同级别的理论计算方法开始用于较小的团簇 Pd (n=2~4)与H2的相互作用研究_7 .先前的计算研 ÷E-mail:ZX ̄BO@xmu.edu.cn Received November25,2003;revised February 11,2004;accepted May 11,2004 国家自然科学基金(Nos.20173042,20233020,20021O02)资助项目. 维普资讯 http://www.cqvip.com 1776 化学学报 V01.62.2O04 1计算方法 过渡金属簇及其簇合物的电子结构十分复杂,且相对论 效应明显,计算难度较大.通常,密度泛函理论与相对论有效 核势(Relativistic effective core potential,ECP)方法的结合,计 用Gaussian98程序[21],在Dell微机工作站上完成 2结果与讨论 2.1 H2在Pd6团簇上的吸附 图1给出了单重态势能面上Pd6H2和Pd6(H)2的B3LYP 优化结构.在B3LYP水平上,表1列出了相对能量和热力学 值(298.15 K).中间产物和过渡态的指认都通过振动频率分 析得到证实.图2给出了P6H2和Pd6(H)2不同异构体相对 算花费相对较少,而且计算的结果与全电子计算结果相符较 好,被认为是计算过渡金属及其化合物最可行的有效方法. 因此,在本研究的计算中,所有的Pd原子采用相对论有效核 势Hay-Wade基组【"J,H原子采用全电子的6-311G ,结构 优化和振动频率计算采用杂化的密度泛函B3LYP方法_l引. 过渡态的性质及其与中间体的关联通过频率分析和内禀反 应坐标(mC)计算确定【19,20 J.计算中,除自洽场密度收敛标 准设置为10I6外,其它收敛判据采用缺省值.为了测试计算 于Pd6+H2的相对能量值.密度泛函计算表明,H2与单态 P6相互作用形成Pd6(H2)(1)的结合能是23.1 kJ/mo1.如果 考虑到零点能(ZPE)校正,其结合能为16.4 kJ/mo1.和三重 态计算结果相比 ,H2与单态Pd6(s)的相互作用比对应的 三重态体系H2…Pd6(T)的相互作用弱u .在Pd6(H2)(1) 中,Pd_-H键长为0.193 Bin,H-一H键长为0.079 Bin,仅比孤 立H2分子的H-H键长长0.005 Bin.B3LYP计算获得 方法和基组的可靠性,我们对Pd原子基态 S(4dm)到激发态 D(4d95s )的激发能进行计算,计算值(84 kJ/mo1)与实验值 (90.7 kJ/mo1)符合较好. H2与单重态Pd6团簇及其化合物的结合能表示为: Eb=E(Pd6)+E(Hz)一E(Pa ̄H2) Eb=E[Pd6(H)2]+E(H2)一E[Pd6(H)2H2] 上式中E(Pd6),E(H2)和E[Pd6(H)2]是反应物的总能量; E(P6H2)和E[Pd6(H)2H2]是产物的总能量.所有计算均采 Pd6(H)2(1)中H-H键的伸缩振动频率是3589 cm_。,比H2 分子的H-一H键的伸缩振动频率小807 cmI1;MtiUiken集居 分析显示簇合物Pd6(HE)(1)中的H2带有少量的正电荷,而 直接与H2相连的Pd原子则带有一定量的负电荷.因此,H2 的a分子轨道授键作用大于Pd的相关分子轨道对H2的a 分子轨道的反馈作用. 4TS ◇ 参 2TS 3 5 6TS 8TS 7 令 9 图1单重态势能面上H2吸附与活化过程中中间体和过渡态的B3LYP优化结构 ngure 1 op ized structures of intermediates and transiiton stats enivolved in the ifrst H2 activation by P4 on the ̄,let potential enefgy surface 维普资讯 http://www.cqvip.com No.18 王延金等:Pa6簇与H2分子相互作用的密度泛函理论研究 1777 表1在B3LYP水平上H2吸附和活化过程中中间体和过渡态的相对能量与热力学量 TabIe 1 Re ve energies and thermodynamic values(kJ/too1)of speeies in Hz adsorption and actiVatio“processes by B3LYP approach 42 2l 0.00 _『、 _ lo g 王 .105 Reaction coordinate 图2单重态势能面上第一个H2活化过程中中间体和过渡态的相对能量 ngure 2 Relative energies of intermediates and transiiton states involved in the first H2 activation by Pa6 on the single potential energy surface 从表I和图I的结果可以发现,二氢化合物Pd6(H) 中 的H倾向于吸附在P 的三角面上,且两H相距越远,二氢 为八面体构型. 2.2单分子H2在单重态 上的活化解离 化合物Pd6(H) 就越稳定,最稳定二氢化合物为Pd6(H) (9).而三态的二氢化合物中,H则倾向桥连到P 的Pd—Pd 边u .二氢簇化合物Pd6(H) (9)的P 骨架结构与H2配 图2给出了从Pd6(H2)(1)到Pd6(H) (9)H2表面吸附 解离过程中的相对能量变化.密度泛函理论计算表明,表面 吸附H2的解离是最稳定二氢簇合物(9)生成的速率控制步 合物Pd6(H2)(1)中Pd6的骨架结构基本一致,两个H原子 位于Pd6相距最远的两个三角面上,Pd—H键长为0.1766 骤,其反应活化能垒为66.4 kJ/mo1.这一能垒比H2在三重态 Pd6团簇上解离能垒高出大约21 kJ/mol[ J,比H2在单重态 Pl也活化过程中的最大反应活化能垒高出29.4 kJ/mol…J.从 nn1.其它稳定的二氢化合物3,5和7的P 骨架也基本保持 维普资讯 http://www.cqvip.com 1778 化学学报 Vo1.62,2OO4 1到3这一速率控制过程的自由能变化为正,表明这一反应 不可能自发进行,需要加热驱动,同时,增加压力也有利于这 一过渡态llTS.其反应活化能垒只有26.5 kJ/mol,第二个H2 的解离较容易进行.在过渡态llrlS中,H卜_H间距为0.133 nrn.熵减过程,H2解离形成的二氢化合物Pd6(H)2(3)中,一 在四氢化合物12中,第二个解离H2中的一个H与顶端 个H与簇的顶端Pd原子相连,其相应的Pd—H键长为 0.155 nln,而另外一个H则与三个Pd结合形成表面多核吸 附氢.二氢化合物Pd6(H)2(3)比Pd6+H2略稳定,能量约降 低10.9 kJ/mo1.从化合物3到更稳定的化合物5经过一过渡 态4TS,这一端位H到面位H的转化几乎没有能垒.在簇合 Pd原子相连,其相应的Pd-_H键长为0.157 run;而另一个H 则与2个Pd相连形成桥位氢,其Pd—H—Pd夹角为116。.整 个吸附解离过程:Pa6(H)2(5)+(H2)一Pd6(H)4(12)是一 个放热过程,其体系总能量降低了15.5 kJ/mol,但其吉布斯 自由能降低了12.6 kJ/too1. 物5中,两个H位于Pd6骨架相邻的两个面上,其Pd—H键 长介于0.165到0.185 am之间.从簇合物5到最稳定的二氢 化合物9经过了一个稳定的中间体7和两个过渡态:6 和 8TS.这些表面吸附H迁移过程的能垒都很低,很容易发生. 3结论 通过密度泛函理论计算确定了Pd6H2,Pd6(tI)2, 整个吸附解离过程:Pd6+(H2)一Pd6(H)2(9)是一个放热的 过程,其体系总能量降低了97.9 kJ/mol,吉布斯自由能降低 了63.4 kJ/mol(298.15 K). Pa6(H)4等簇合物的平衡几何结构.在B3LYP水平上,计算预 测吸附态H2在单重态Pd6簇上解离生成到二氢化合物的能 垒为66.4 kJ/mo1.第二个H2的活化解离:Pa6(H)2(5)+ H2一Pd6(H)4(12)反应活化能垒只有26.5 kJ/mo1.这与更小 Pd簇活化H2的行为不同,先前的理论研究指出:P也(H) + H2一Pd3(n)4和Pd4(H)2+H2一Pd4(H)4活化解离过程均不 可能进行.这些小的Pd簇活化第二个H2的困难主要来源于 产物Pd3(H)4和Pd4(H) 热力学和动力学上的不稳定性.目 2.3多个氢分子在Pd6团簇上的吸附与活化过程 簇合物5是单分子H2活化解离形成的第一个相当稳定 的中间体,其中,两个H位于八面体的面上,六个端位Pd原 子可用于第二个H2的吸附.为此,我们选择二氢化合物5作 为第二个H2吸附与活化的前驱体,对第二个H,分子在5上 的吸附解离进行了调查.图3给出了第二个H2吸附解离过 程中中间体和过渡态的结构与能量变化.表1列出了反应过 程的相对能量和热力学函数值.第二个H,吸附在二氢化合 物5中一个端位Pd上,形成簇合物Pd6(H)2H2(1O).在化合 物1O中,H2的H_一H键长为0.0811 am,其相对应Pd~H键 前的理论计算表明Pd6簇可以活化第二个氢分子,且较稳定 的单态二氢化合物Pd6(H)2中,H倾向与3个Pd相连形成 面位氢.在氢分子的配合物Pd6(H2)和Pd6(H)2H2中,H2主 要作为给电子配体,从而带有少量的正电荷.随着Pd簇的增 大,在形成氢分子的授一受配合物中,金属簇作为受体的能 力也随之增强,同时可以提供更多氢原子的吸附位,有利于 多分子氢活化. 长为0.182 nm,这一吸附过程使体系总能量降低了32.8 l(J/ mo1.从簇合物1O到四氢化合物Pd6(H)4(12),经历了一个 16f8 8.4 0 .llTS .8 4 16 8 .25.2 .33.6 Reaction coordinate 12 图3单重态势能面上第二个H2活化过程:Pd6(H)2(5)+H2一Pd6(H) 中中间体和过渡态的优化结构与对应的相对能量  ̄*ure 3 optima structures and relative energies of intermediates and transiiton states on the sing,let potential energy surface involved in the second H2 activation process:Pd6(Hh(5)+H2一Pd6(H)4 维普资讯 http://www.cqvip.com No.18 王延金等:Pd6簇与H2分子相互作用的密度泛函理论研究 1779 本文为“庆贺蔡启瑞教授九十华诞暨执教五十八年”征文 1 Busnengo,H.F.;Dong,W.;Salin,A.Chem.Phys.Leu. 2o∞,320,328. 2 Mitsui,T.;Rose,M.K.;Fomin,E.;Ogletree,D.F.; Sa]nleron,M.Nature 2003,442,7Q5. 3 Rettner,C.T.;Auerbach,D.J.Chem.Phys.1eu.1996, 253._236. 4 Dong,W.;Hafner,J.Phys.Rev.B 1997, ,15396. 5 Sousa,C.;Bertha,V.;lllas,F.J.Phys.Chem.B 2001, lo5.1817. 6 Krylov,0.V.;Kiselev,V.F.Adsorption and Catalysis On Trtu ̄ition Metals and The/r ,Springer-Verlag,Berlin, Heidelberg,19 ̄19. 7 Cui,Q.;MusB aev,D.G.;Mor:。 okuma,K.J.Phys.Chem.A 墙 1998,JD2,6373. 8 Cui,Q.;Musaev,D.G.;Momkuma,K.J.Chem.Phys. 1998, 08,8418. 9 Dai,D.;Hao,D.W.;Balasubmmanian,K.J.Chem.Phys. 1995.J02,753o. 10 Castillo,S.;Cruz,A.;Bertin,V.;Poulain,E.;Arellano,J. S.;Angel,G.D.Int.J.Qllz12ttllln Chem.1997.6l2,29. 11 Moc,J.;Musaev,D.G.;Momkuma.K.J.Phys.Chem.A 200o,J ,l1606. 12 German,E.D.;Efl ̄menko,I.;Sheintuch.M.J.Phys. Chem.A 2IlIJl,j ,11312. Wang,Y.;Cao,Z.;Zl ̄ng,Q.Chem.Phys.Lett.2OO3, 37l6.96. Fayet,P.;Kaldor,A.;Cox,D.M.J.Chem.Phys.1990, 92. l4. Balasubramarifan,K.;Feng,P.Y.J.Chem.Phys.1992, 96.2881. Chen,B.;Gomez,M.A.;Dnu,J.D.J.Chem.Phys. 1998. 08,4031. Hay,P.J.; ,W.R.J.Chem.Phys.1985,82,299. (a)Beck,A.D.Phys.Rev.A 1998,. ,3098. (b)lee,C.;Yan,W.;Parr,R.G.Phys.Rev.B 19镐,37, 785. (C)Beck,A.D.J.Chem.Phys.1993,98,5648. Fukui,K.J.Phys.Chem.19r70,74,4161. Isida,K.;Momkuma,K.;Komomichi,A.J.Chem.Phys. 1981.66.2153. Frisch,M.J.;Trucks,G.W.;Schlegel,H.B.;Scuseria,G. E.;Robb,M.A.;Cheeseman,J.R.;Zakrzews ̄,V.G.; Montgomery,J.A.;Stratmann,R.E.;Burant,J.C.; Dappfich,S.;nillam,J.M.;Daniels,A.D.;Kudin,K.N.; Strain,M.C.;Farkas,O.;Tomasi,J.;Barone,V.;Cossi, M.;Cammi,R.;Mennucci,B.;PomeUi,C.;Adamo,C.; Cliford,S.;Ochterski,J.;Peterson,G.A.;Ayala,P.Y.; Cui,Q.;Momkuma,K.;Malick,D.K.;Rabuck,A.D.; Pople,J.A.Gauss/an 98,Revision A.9.Gaussian Inc. Pittsburgh,PA 1998. (A0311256 SONG,J.P.;ZHENG,G.C.) 加 

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