Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu cấu trúc hình học và điện tử của cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp bằng phương pháp tính toán lượng tử định hướng ứng dụng cho vật liệu xúc tác

• Tác giả: Nguyễn Thị Mai
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Tùng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu cấu trúc hình học và điện tử của cụm nguyên tử chứa kim loại chuyển tiếp bằng phương pháp tính toán lượng tử định hướng ứng dụng cho vật liệu xúc tác
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU. MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ CỤM NGUYÊN TỬ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP
• 1.1. Tổng quan về các cụm nguyên tử
• 1.2. Sự hình thành và phát triển của lĩnh vực nghiên cứu các cụm nguyên tử
• 1.3. Sự bền vững của các cụm nguyên tử
• 1.4. Cấu trúc vỏ điện tử của các cụm nguyên tử
• 1.5. Cấu trúc vỏ hình học của các cụm nguyên tử
• 1.6. Vùng cấm HOMO-LUMO
• 1.7. Cụm nguyên tử nhị nguyên
• 1.8. Tính chất từ
• 1.9. Tính chất quang
• 1.10. Cụm nguyên tử nhị nguyên có chứa kim loại chuyển tiếp
• 1.11. Cụm nguyên tử của nguyên tố silicon và nguyên tử kim loại chuyển tiếp
• 1.12. Cụm nguyên tử oxide của kim loại chuyển tiếp
• 1.13. Cụm nguyên tử của kim loại chuyển tiếp và kim loại quý
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán lƣợng tử
• 2.2. Phƣơng trình Schrodinger
• 2.3. Sự gần đúng Born-Oppenheimer
• 2.4. Phƣơng pháp tính toán ab-initio
• 2.5. Phƣơng pháp Hartree-Fock
• 2.6. Phƣơng pháp phiếm hàm mật độ DFT
• 2.7. Quy trình tính toán tối ƣu hóa năng lƣợng của các cụm nguyên tử
• 3. CHƢƠNG 3: CỤM NGUYÊN TỬ CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ SILICON SinMn2+
• 3.1. Khảo sát xác định phiếm hàm và bộ hàm cơ sở phù hợp với cụm nguyên tử SinMn2+
• 3.2. Cấu trúc hình học của cụm nguyên tử SinMn2+
• 3.3. Cấu trúc điện tử của cụm nguyên tử SinMn2+
• 3.4. Sự bền vững và năng lƣợng phân ly của cụm nguyên tử SinMn2+
• 3.5. Năng lƣợng liên kết của cụm nguyên tử SinMn2+
• 3.6. Chênh lệch năng lƣợng bậc hai của cụm nguyên tử SinMn2+
• 3.7. Năng lƣợng phân ly của cụm nguyên tử SinMn2+
• 4. CỤM NGUYÊN TỬ OXIDE CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ConOm+
• 4.1. Thí nghiệm quang phân ly của cụm nguyên tử ConOm+ (n = 5-9, n-2 ≤ m ≤ n+2)
• 4.2. Cấu trúc hình học của các cụm nguyên tử ConOm+
• 4.3. Khảo sát xác định phiếm hàm và bộ hàm cơ sở phù hợp với cụm nguyên tử ConOm+
• 4.4. Cấu trúc hình học của các cụm nguyên tử ConOm+
• 4.5. Cấu trúc điện tử của các cụm nguyên tử ConOm+
• 4.6. Vùng cấm HOMO-LUMO của các cụm nguyên tử ConOm+
• 4.7. Tính toán năng lƣợng phân ly của các cụm nguyên tử ConOn-2+
• 4.8. Tính toán biến thiên năng lƣợng tự do Gibbs của các cụm nguyên tử ConOn-2+
• 5. CỤM NGUYÊN TỬ CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ KIM LOẠI QUÝ Au19TM, MnCr
• 5.1. Khảo sát xác định phiếm hàm và bộ hàm cơ sở phù hợp với cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp và kim loại quý
• 5.2. Cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp và kim loại quý Au19TM
• 5.3. Cấu trúc hình học bền của các cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp và kim loại quý Au19TM (TM = Sc-Cu)
• 5.4. Cấu trúc điện tử của cụm nguyên tử Au19TM
• 5.5. Sự bền vững và năng lƣợng phân ly của cụm nguyên tử Au19TM
• 5.6. Cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp và kim loại quý MnCr
• 5.7. Cấu trúc hình học của cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp và kim loại quý MnCr
• 5.8. Cấu trúc điện tử của cụm nguyên tử MnCr
• 5.9. Sự bền vững và năng lƣợng phân ly của cụm nguyên tử MnCr
• KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp

Nghiên cứu về cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của các cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Các cụm nguyên tử này có kích thước từ vài đến vài chục nguyên tử, và tính chất của chúng có thể thay đổi mạnh mẽ do ảnh hưởng của các hiệu ứng lượng tử. Đặc biệt, các nguyên tử kim loại chuyển tiếp với các điện tử chưa ghép cặp trên orbital d đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của các cụm nguyên tử. Sự biến đổi này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất từ, quang mà còn đến hoạt tính xúc tác của các cụm nguyên tử. Theo nghiên cứu, các cụm nguyên tử chứa kim loại chuyển tiếp có thể tạo ra các tính chất mới, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu nano tiên tiến.

1.1. Sự hình thành và phát triển của lĩnh vực nghiên cứu

Lĩnh vực nghiên cứu các cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các cụm nguyên tử này có thể thay đổi độ bền và tính chất của chúng thông qua việc điều chỉnh thành phần và cấu trúc. Việc áp dụng các phương pháp tính toán lượng tử như phương pháp Hartree-Fock và phương pháp phiếm hàm mật độ DFT đã giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc điện tử và cấu trúc hình học của các cụm nguyên tử này. Những nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả hơn.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu này dựa trên các phương pháp tính toán lượng tử, bao gồm phương trình Schrodinger và sự gần đúng Born-Oppenheimer. Các phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của các cụm nguyên tử. Việc sử dụng phương pháp tính toán ab-initio giúp xác định các thông số quan trọng như năng lượng liên kết và năng lượng phân ly của các cụm nguyên tử. Đặc biệt, nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa năng lượng của các cụm nguyên tử để tìm ra cấu trúc bền vững nhất. Kết quả từ các phương pháp này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tính chất vật lý và hóa học của các cụm nguyên tử chứa kim loại chuyển tiếp.

2.1. Phương pháp tính toán lượng tử

Phương pháp tính toán lượng tử là công cụ chính trong nghiên cứu này. Các phương pháp như DFT và Hartree-Fock được áp dụng để mô phỏng cấu trúc điện tử của các cụm nguyên tử. Những phương pháp này cho phép tính toán chính xác các thông số như năng lượng liên kết và vùng cấm HOMO-LUMO. Kết quả từ các phương pháp này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hình học mà còn cung cấp thông tin quan trọng về tính chất xúc tác của các cụm nguyên tử. Việc áp dụng các phương pháp này trong nghiên cứu các cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu nano với tính chất đặc biệt.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp có thể được tối ưu hóa để đạt được cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử bền vững. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc thay đổi thành phần nguyên tử trong cụm có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất từ và quang. Đặc biệt, các cụm nguyên tử oxide của kim loại chuyển tiếp thể hiện tính chất quang và điện độc đáo, có thể được ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và xúc tác. Những phát hiện này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các vật liệu mới cho ngành công nghiệp.

3.1. Tính chất xúc tác của các cụm nguyên tử

Tính chất xúc tác của các cụm nguyên tử kim loại chuyển tiếp đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các kết quả cho thấy rằng các cụm nguyên tử này có khả năng xúc tác cao trong các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các phản ứng oxi hóa. Việc tối ưu hóa cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của các cụm nguyên tử có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất xúc tác. Những nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả hơn, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như năng lượng và môi trường.