c20四聚体和c80纳米管的结构和性能研究(附件)【字数：12415】
摘 要摘 要采用密度泛函理论(Density functional theory, DFT)中的杂化密度泛函（B3LYP）方法，在6-31G基组水平上对C20四聚体和C80纳米管进行了几何参数全优化，得到了基态构型,并对其稳定性、电子结构、极化率和芳香性进行了计算研究。主要结论如下(1) C20四聚体是具有C1对称性的平面结构，它由两个共用一条边的三角形（三角顶点为C20碳笼）组成。碳笼以[2+2]加成方式结合形成C20四聚体，进行加成反应后碳笼体积稍稍增大，碳笼相互结合部位的C-C键的键长更大，说明其比较容易断裂。C80纳米管是标准碳纳米管，主体部分由30个碳六元环构成，两端各由半个富勒烯球（六个碳五元环）封顶。(2) C20聚合物中随着碳笼数的增加，加成反应的反应热和能隙都逐渐变大，说明它的热力学和化学稳定性逐渐增强。和C20四聚体相比，C80纳米管的反应热更大，但能隙更小，表明C80纳米管的热力学稳定性和化学活性最强。(3) C20四聚体和C80纳米管的NBO分布相近，每个碳原子的2s轨道上有约1个电子转移到了2p轨道上，但C80纳米管发生的电荷转移要比C20四聚体明显。C原子内以sp2的方式杂化，原子之间有微量的电荷转移。(4) C20四聚体和C80纳米管的红外光谱（IR光谱）和Raman光谱都有很多的振动峰。其中C20四聚体IR光谱的最强振.动峰位于频率867.84 cm-1 处，对应着四个碳笼的呼吸振动，Raman光谱最强的振动峰位于波数1365.99 cm-1处，该处的振动模式为碳笼的呼吸振动。C80纳米管的IR光谱的最强的峰位于频率1334.47 cm-1处，该处振动模式为C80纳米管中一系列碳碳键的伸缩运动；Raman光谱的最强峰位于频率1527.36 cm -1 处，其对应的振动模式也是纳米管中一系列碳碳键的伸缩振动。 (5) C20聚合物的极化率张量的平均值.随着碳笼数的增加而逐渐增大，说明团簇中原子间的成键.相互作用渐渐增强。C20四聚体极化率张量的平均值最大，即原子间成键的相互作用最强。而C80纳米管的极化率张量的平均值比C20四聚体小，说明其原子间成键的相互作用较弱。(6) C20四聚体和C80纳米管均具有芳香性，但C20四聚体芳香性较强。C20四聚体和C80纳米管的反应.都是放热反应，二者的热力学稳定性较好。关键词富勒烯C20 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
四聚体 C80纳米管 结构与性能 密度泛函理论
目录
第一章 绪论 1
1.1 富勒烯简介 1
1.1.1团簇的概念 1
1.1.2富勒烯 1
1.1.3富勒烯聚合物 1
1.1.4碳纳米管 2
1.2 研究意义和创新点 2
1.2．1本文研究的意义 2
1.2．2本文研究的创新点 2
第二章 理论基础 4
2.1量子化学 4
2.2密度泛函理论 4
2.3 Gaussian 计算软件 4
第三章 富勒烯C20四聚体的结构与性能研究 5
3.1引言 5
3.2计算方法 5
3.3结果与讨论 6
3.3.1基态构型 6
3.3.2 团簇的稳定性分析 8
3.3.3 自然键轨道(NBO)分析 9
3.3.4光谱性质 10
3.3.5极化率分析 11
3.3.6热力学性质和NICS分析 12
第四章 C80纳米管的结构与性能研究 14
4.1引言 14
4.2计算方法 14
4.3结果及讨论 14
4.3.1基态构型 14
4.3.2C80纳米管的稳定性 15
4.3.3C80纳米管的NBO分析 15
4.3.4光谱性质 17
4.3.5 C80纳米管的极化率分析 18
4.3.6芳香性和热力学性质 19
结论 19
致谢 20
参考文献 22
绪论
富勒烯简介
1.1.1团簇的概念
原.子团簇和分子团簇.统称为团簇（cluster），它是由几个至上千原子.、分子和离子，在几到几百埃.的空间尺度上，通过物理或化学作用.相互结合在一起的.比较稳定的微观或亚微观聚集体，它的物理和化学性质.随着原子数目的增加而变化[1]，这与单个原子、分子或宏观物质不同。因此，团簇可以看成介于原子、分子与宏观固体物质.之间的物质结构的新状态，是各种元素微粒.由原子分子向宏观物质转变.的过渡态。
如果团簇的尺寸较小，那么每当增加一个原子后，团簇的几何结构就会变化，其物理性质和化学性质有可能发生很大的转变，这也称为重构。当原子个数非常多，团簇尺寸很大时，那么除了表面的原子还在弛豫外，增加新的原子后也不会改变它的整体结构，其物理化学性质也不会发生较大转变，这个尺寸被称为临界尺寸。团簇研究的根本问题，就是研究原子及分子是如何一步一步生长成团簇、团簇的物理化学性质随尺寸如何变化以及当尺寸多大时团簇发展成宏观物质。
1.1.2富勒烯
富勒烯是团簇家族的重要成员之一，任何由碳一种元素组成，以球状、椭球状或管状结构存在的物质，都可以称做富勒烯。由于其独特的结构，具有许多优异的物理化学特性[26]，富勒烯成为科学界研究、关注的焦点。目前，富勒烯在在很多领域都显示出巨大的应用潜力。而且它在很多方面，包括新型材料、超导、激光、红外、电化学、高分子材料、新型能源、地质、天体学、甚至医学等各个领域有广阔的应用前景[715]。
1.1.3富勒烯聚合物
富勒烯碳笼满足一定条件时.就会发生聚合反应, 生成相应的的富勒烯.分子聚合物，这些富勒烯聚合物.以共价键相结合，因此.具有很多优良的特性，.特别是磁性能.特别优越，这使它在光电子计算机存.储和记录信息的元器件材料中.有很好的发展前景。目前，很多富勒烯二聚物已经被报导合成，这些通过不同的化学方法合成的富勒烯二聚体多呈哑铃状。1997年，Komatsu等[16]用高速振动磨技术(HSVM)以KCN为.催化剂在固相中使C60发生反应成功合成了C120，1998年Strongin等[17]用高效液相色谱(HPLC)分离得到C122，在这不久，Dragoe等[18]合成并分离出了C121，2004年Zhao等[19]又合成出了C131和C141。富勒烯分子聚合物因而成为了聚合物科学、纳米结构、超分子化学.的模型，在这些年里.被广泛研究。
1.1.4碳纳米管
碳纳米管是一维的纳米材料，它有重量轻、六边形结构连接完美.的特点，力学、电学和化学性能.极其优越[1923]。纳米管的碳六边形.沿轴向的取向不同，由此可以将其分.成三种：锯齿形、扶手椅型.和螺旋型。其中螺旋型.碳纳米管具有手性，而锯齿形.和扶手型的纳米管.没有手性。碳纳米管中碳原子主要是sp2 杂化，但六角型网状结构.存在一定弯曲弧度，形成了空间拓扑结构，其中可以形成.一些sp3 杂化键，总之，形成的化学键.同时存在sp2 和sp3 杂化混合状态。而一些p 轨道相互重叠.在碳纳米管表面就形成了.高度离域的大π 键。
研究意义和创新点
1.2．1本文研究的意义
富勒烯独特的结构，使其表现出许多奇特的性质。它对凝聚态物理、材料科学和化学本身产生重大影响。通过对富勒烯及其衍生物的研究，人们发现富勒烯及其衍生物在电子光敏器件、超导、发光材料、分子磁体、催化、生物医学等方面，都有着很好的应用前景。但目前的富勒烯聚合物.和全碳纳米管的研究中，.绝大多数都是高.碳富勒烯，而对低碳富勒烯.分子的研究的很少，尤其是最小的.富勒烯分子C20的聚合物.研究更少。因而对分子C20聚合物.和小碳纳米管的结构及其性能.的研究不仅具有较高的理论价值，而且对新型.化合物的合成和应用.起到促进和推动作用。
1.2．2本文研究的创新点
四聚体 C80纳米管 结构与性能 密度泛函理论
目录
第一章 绪论 1
1.1 富勒烯简介 1
1.1.1团簇的概念 1
1.1.2富勒烯 1
1.1.3富勒烯聚合物 1
1.1.4碳纳米管 2
1.2 研究意义和创新点 2
1.2．1本文研究的意义 2
1.2．2本文研究的创新点 2
第二章 理论基础 4
2.1量子化学 4
2.2密度泛函理论 4
2.3 Gaussian 计算软件 4
第三章 富勒烯C20四聚体的结构与性能研究 5
3.1引言 5
3.2计算方法 5
3.3结果与讨论 6
3.3.1基态构型 6
3.3.2 团簇的稳定性分析 8
3.3.3 自然键轨道(NBO)分析 9
3.3.4光谱性质 10
3.3.5极化率分析 11
3.3.6热力学性质和NICS分析 12
第四章 C80纳米管的结构与性能研究 14
4.1引言 14
4.2计算方法 14
4.3结果及讨论 14
4.3.1基态构型 14
4.3.2C80纳米管的稳定性 15
4.3.3C80纳米管的NBO分析 15
4.3.4光谱性质 17
4.3.5 C80纳米管的极化率分析 18
4.3.6芳香性和热力学性质 19
结论 19
致谢 20
参考文献 22
绪论
富勒烯简介
1.1.1团簇的概念
原.子团簇和分子团簇.统称为团簇（cluster），它是由几个至上千原子.、分子和离子，在几到几百埃.的空间尺度上，通过物理或化学作用.相互结合在一起的.比较稳定的微观或亚微观聚集体，它的物理和化学性质.随着原子数目的增加而变化[1]，这与单个原子、分子或宏观物质不同。因此，团簇可以看成介于原子、分子与宏观固体物质.之间的物质结构的新状态，是各种元素微粒.由原子分子向宏观物质转变.的过渡态。
如果团簇的尺寸较小，那么每当增加一个原子后，团簇的几何结构就会变化，其物理性质和化学性质有可能发生很大的转变，这也称为重构。当原子个数非常多，团簇尺寸很大时，那么除了表面的原子还在弛豫外，增加新的原子后也不会改变它的整体结构，其物理化学性质也不会发生较大转变，这个尺寸被称为临界尺寸。团簇研究的根本问题，就是研究原子及分子是如何一步一步生长成团簇、团簇的物理化学性质随尺寸如何变化以及当尺寸多大时团簇发展成宏观物质。
1.1.2富勒烯
富勒烯是团簇家族的重要成员之一，任何由碳一种元素组成，以球状、椭球状或管状结构存在的物质，都可以称做富勒烯。由于其独特的结构，具有许多优异的物理化学特性[26]，富勒烯成为科学界研究、关注的焦点。目前，富勒烯在在很多领域都显示出巨大的应用潜力。而且它在很多方面，包括新型材料、超导、激光、红外、电化学、高分子材料、新型能源、地质、天体学、甚至医学等各个领域有广阔的应用前景[715]。
1.1.3富勒烯聚合物
富勒烯碳笼满足一定条件时.就会发生聚合反应, 生成相应的的富勒烯.分子聚合物，这些富勒烯聚合物.以共价键相结合，因此.具有很多优良的特性，.特别是磁性能.特别优越，这使它在光电子计算机存.储和记录信息的元器件材料中.有很好的发展前景。目前，很多富勒烯二聚物已经被报导合成，这些通过不同的化学方法合成的富勒烯二聚体多呈哑铃状。1997年，Komatsu等[16]用高速振动磨技术(HSVM)以KCN为.催化剂在固相中使C60发生反应成功合成了C120，1998年Strongin等[17]用高效液相色谱(HPLC)分离得到C122，在这不久，Dragoe等[18]合成并分离出了C121，2004年Zhao等[19]又合成出了C131和C141。富勒烯分子聚合物因而成为了聚合物科学、纳米结构、超分子化学.的模型，在这些年里.被广泛研究。
1.1.4碳纳米管
碳纳米管是一维的纳米材料，它有重量轻、六边形结构连接完美.的特点，力学、电学和化学性能.极其优越[1923]。纳米管的碳六边形.沿轴向的取向不同，由此可以将其分.成三种：锯齿形、扶手椅型.和螺旋型。其中螺旋型.碳纳米管具有手性，而锯齿形.和扶手型的纳米管.没有手性。碳纳米管中碳原子主要是sp2 杂化，但六角型网状结构.存在一定弯曲弧度，形成了空间拓扑结构，其中可以形成.一些sp3 杂化键，总之，形成的化学键.同时存在sp2 和sp3 杂化混合状态。而一些p 轨道相互重叠.在碳纳米管表面就形成了.高度离域的大π 键。
研究意义和创新点
1.2．1本文研究的意义
富勒烯独特的结构，使其表现出许多奇特的性质。它对凝聚态物理、材料科学和化学本身产生重大影响。通过对富勒烯及其衍生物的研究，人们发现富勒烯及其衍生物在电子光敏器件、超导、发光材料、分子磁体、催化、生物医学等方面，都有着很好的应用前景。但目前的富勒烯聚合物.和全碳纳米管的研究中，.绝大多数都是高.碳富勒烯，而对低碳富勒烯.分子的研究的很少，尤其是最小的.富勒烯分子C20的聚合物.研究更少。因而对分子C20聚合物.和小碳纳米管的结构及其性能.的研究不仅具有较高的理论价值，而且对新型.化合物的合成和应用.起到促进和推动作用。
1.2．2本文研究的创新点
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