Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của cluster Agn và AgNm bằng phương pháp phiếm hàm mật độ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lí do chọn đề tài

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4. Những điểm mới của luận án

1.5. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT: Density Functional Theory)

1.6. Mật độ trạng thái của electron

1.7. Mô hình Thomas – Fermi

1.8. Các định lý Hohenberg – Kohn

1.9. Phương trình Kohn-Sham

1.10. Phiếm hàm mật độ phụ thuộc vào thời gian (TD-DFT)

1.11. Bộ hàm cơ sở

1.12. Bề mặt thế năng (Potential Energy Surface: PES)

1.13. Vật liệu nano

1.14. Tính chất của vật liệu nano

2. HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hệ chất nghiên cứu

2.2. Cluster kim loại

2.3. Cluster lưỡng kim loại

2.4. Khí đinitơ oxit

2.5. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới

2.6. Phương pháp nghiên cứu

2.7. Phần mềm tính toán

2.8. Phương pháp tính toán

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Cấu trúc và tính chất electron của cluster kim loại Agn (n=2–20) và lưỡng kim loại AgnM (n=1-9, M= Fe, Co, Ni, Cu, Au, Pd, Cd)

3.1.1. Cấu trúc và tính chất electron của cluster Agn (n=2–20)

3.1.2. Cấu trúc bền của cluster Agn (n=2–20)

3.1.3. Tính chất electron của cluster Agn (n=2–20)

3.1.4. Cấu trúc và tính chất electron của cluster AgnM (n=1–9, M=Fe, Co, Ni)

3.1.4.1. Cấu trúc bền của cluster AgnM (n=1–9, M=Fe, Co, Ni)

3.1.4.2. Tính chất electron của cluster AgnM (n=1–9, M=Co, Fe, Ni)

3.1.5. Cấu trúc và tính chất electron của cluster AgnM (n=1–9, M=Cu, Au, Pd, Cd)

3.1.5.1. Cấu trúc bền của cluster AgnM (n=1–9, M=Cu, Au, Pd, Cd)

3.1.5.2. Tính chất electron của cluster AgnM (n=1–9, M=Cu, Au, Pd, Cd)

3.2. Vai trò xúc tác của cluster kim loại

3.2.1. Phân hủy N2O trong pha khí

3.2.2. Vai trò xúc tác của cluster Ag7

3.2.2.1. Phân hủy N2O trên cluster Ag7

3.2.2.2. Phân hủy gián tiếp N2O bằng CO trên cluster Ag7

3.2.3. Vai trò xúc tác của cluster Ag7+

3.2.3.1. Phân hủy N2O trên cluster Ag7+

3.2.3.2. Phân hủy gián tiếp N2O bằng CO trên cluster Ag7+

3.2.4. Vai trò xúc tác của cluster Cu7

3.2.4.1. Phân hủy N2O trên cluster Cu7

3.2.4.2. Phân hủy gián tiếp N2O bằng H2 trên cluster Cu7

3.2.4.3. Phân hủy gián tiếp N2O bằng CH4 trên cluster Cu7

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về cluster Agn và cluster AgNm

Cluster Agn và cluster AgNm là các tập hợp nguyên tử bạc (Ag) và hợp kim bạc (AgNm) ở kích thước nano. Chúng thể hiện tính chất vật lý và tính chất hóa học độc đáo, khác biệt so với dạng khối. Cluster Agn được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng xúc tác và ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, y sinh học. Cluster AgNm với sự pha tạp kim loại khác (như Fe, Co, Ni) mang lại tính chất điện và tính chất quang đặc biệt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong vật liệu nano.

1.1. Cấu trúc của cluster Agn

Cấu trúc của cluster Agn được xác định bằng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT). Các nghiên cứu chỉ ra rằng cluster Agn có cấu trúc bền vững với năng lượng liên kết cao. Cấu trúc này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất điện và tính chất quang của cluster. Ví dụ, cluster Ag4 có cấu trúc tứ diện, trong khi cluster Ag6 có cấu trúc bát diện.

1.2. Tính chất của cluster AgNm

Tính chất của cluster AgNm được cải thiện đáng kể khi pha tạp các kim loại như Fe, Co, Ni. Sự pha tạp này làm tăng momen từ spin và giảm năng lượng Egap, giúp cluster có khả năng ứng dụng trong vật liệu bán dẫn. Ví dụ, cluster Ag5Fe có momen từ spin cao nhất, trong khi cluster Ag3Au có độ bền nhiệt động học tốt hơn.

II. Phương pháp phiếm hàm mật độ DFT

Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) là công cụ chính để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của cluster Agn và cluster AgNm. DFT dựa trên các định lý Hohenberg-Kohn và phương trình Kohn-Sham, cho phép tính toán chính xác năng lượng và cấu trúc electron của hệ thống. Phương pháp này được sử dụng để phân tích tính chất vật lý và tính chất hóa học của cluster, bao gồm năng lượng liên kết, momen từ spin, và phổ UV-VIS.

2.1. Phân tích cấu trúc bằng DFT

Phân tích cấu trúc bằng DFT giúp xác định cấu trúc bền của cluster Agn và cluster AgNm. Các kết quả tính toán cho thấy cluster Ag7 có cấu trúc bền nhất, với năng lượng liên kết cao và tính chất xúc tác tốt. Phương pháp này cũng được sử dụng để nghiên cứu cơ chế phản ứng phân hủy N2O trên cluster Ag7 và Cu7.

2.2. Tính chất điện và quang

Tính chất điện và tính chất quang của cluster được nghiên cứu thông qua DFT. Kết quả cho thấy cluster Ag3Au có năng lượng Egap thấp, phù hợp cho ứng dụng trong vật liệu bán dẫn. Phổ UV-VIS của cluster Ag4 và Ag6 được tính toán bằng phương pháp TD-DFT, phù hợp với kết quả thực nghiệm.

III. Ứng dụng của cluster Agn và AgNm

Cluster Agn và cluster AgNm có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như xúc tác, vật liệu nano, và y sinh học. Cluster Ag7 được sử dụng làm xúc tác cho quá trình phân hủy N2O, trong khi cluster Ag5Fe có tiềm năng ứng dụng trong vật liệu từ tính. Các nghiên cứu lý thuyết về tính chất cơ học và tính chất điện của cluster giúp định hướng cho các nghiên cứu thực nghiệm, giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả kinh tế.

3.1. Ứng dụng trong xúc tác

Cluster Ag7 và cluster Cu7 được nghiên cứu làm xúc tác cho quá trình phân hủy N2O. Kết quả cho thấy cluster Ag7 có khả năng xúc tác tốt hơn, với năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Phương pháp DFT được sử dụng để phân tích cơ chế phản ứng và xác định các trạng thái chuyển tiếp.

3.2. Ứng dụng trong vật liệu nano

Cluster AgNm với sự pha tạp kim loại như Fe, Co, Ni có tiềm năng ứng dụng trong vật liệu nano. Ví dụ, cluster Ag5Fe có momen từ spin cao, phù hợp cho ứng dụng trong vật liệu từ tính. Các nghiên cứu lý thuyết giúp định hướng cho việc thiết kế các vật liệu mới với tính chất điện và tính chất quang đặc biệt.

Luận án tiến sĩ hóa học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của cluster Agn và AgNm sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ