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        水合硅酸分子電子結(jié)構(gòu)的從頭算與基組效應(yīng)研究

        2021-12-11 10:40:02種晨陽(yáng)
        科技與創(chuàng)新 2021年23期
        關(guān)鍵詞:基組水合硅酸

        種晨陽(yáng)

        (西安郵電大學(xué)理學(xué)院,陜西 西安710121)

        水合硅酸分子是硅酸鹽系列中的一部分,屬于簡(jiǎn)單的小分子類別,為了能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)硅酸鹽材料的設(shè)計(jì),需要在聚硅酸分子聚合后,研究水合硅酸分子的電子結(jié)構(gòu)[1]。目前,理論上可以使用半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算,還可以使用小基礎(chǔ)從頭算計(jì)算水合硅酸分子的電子結(jié)構(gòu)。為了研究基集效應(yīng),應(yīng)使用百分比基礎(chǔ)集(例如最小基礎(chǔ)和擴(kuò)展基礎(chǔ))進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)深入研究確定計(jì)算方法。

        1 水合硅酸的形成

        中國(guó)鋁土礦具有高硅、高鋁的特點(diǎn),高品位鋁土礦每天都在消耗,因此,尋找對(duì)鈉和硅渣更經(jīng)濟(jì)的處理方法變得非常迫切,鈉硅渣經(jīng)濕法加工,制成硅向水合硅酸的轉(zhuǎn)化是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。例如高壓水化學(xué)法,主要技術(shù)路線是將硅轉(zhuǎn)化為水合硅酸或水合榴石,形成的含硅化合物少于堿和氧化鋁,其中氧化鋁回收率約為70%,堿的回收率大于80%。

        2 水合硅酸分子電子結(jié)構(gòu)的從頭算方法

        水合硅酸分子電子結(jié)構(gòu)的從頭算方法可以使用GAMFSS程序分析水合硅酸分子,通過(guò)電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算,可以確?;鶖?shù)采用了STO-GTO系統(tǒng)。從頭算就是分別在最小基中選擇了STO-3G與STO-6G,通過(guò)選擇分組可以擴(kuò)展基礎(chǔ)組,在分裂價(jià)基中選擇3-21G、6-21G與6-31G,然后在解析能量梯度方法的分子優(yōu)化系統(tǒng)平衡幾何構(gòu)型,最后在擴(kuò)展基中選擇6-31G*與6-31G**,使用構(gòu)型階段交互方法和系統(tǒng)能源進(jìn)行校準(zhǔn)控制,主要控制分子軌道圖并確定分子軌道能級(jí)的變化,通過(guò)激發(fā)態(tài)能量可以對(duì)總能量和分子軌道等方面討論分子系統(tǒng)的基集效應(yīng)。

        3 水合硅酸分子電子結(jié)構(gòu)基組效應(yīng)研究

        3.1 水合硅酸分子幾何模型

        表1是水合硅酸分子的鍵參數(shù)與基組效應(yīng),通過(guò)對(duì)分子的優(yōu)化可以確保每個(gè)鍵的長(zhǎng)度基本相同,每個(gè)鍵的長(zhǎng)度相差并不大。在對(duì)不同基組優(yōu)化后可以得到Si(OH)4分子平衡幾何。從類型綁定參數(shù)可以看出,幾何構(gòu)型已通過(guò)最小基礎(chǔ),并進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合角的計(jì)算也是如此,通過(guò)使用基本集合優(yōu)化模型,導(dǎo)致較大聚硅酸分子的結(jié)果不同,在特定計(jì)算基礎(chǔ)下,有必要對(duì)特定分子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算線分析[3]。

        表1 水合硅酸分子的鍵參數(shù)與基組效應(yīng)

        3.2 水合硅酸分子軌道能級(jí)

        表2是水合硅酸分子電子軌道能級(jí)與基組效應(yīng),使用計(jì)算分子的前線軌道可以看出,由原子所組成的“反鍵”軌道能級(jí)較高,導(dǎo)致電子具有更高的激發(fā)能力,分子相對(duì)穩(wěn)定[4]。同時(shí),使用不同基集所獲得的兩者交錯(cuò)H軌道是相同的,主要是通過(guò)基組獲得的,其中一個(gè)是并排的,另一個(gè)是頭對(duì)頭形式,并且基礎(chǔ)集中有兩對(duì)并排形式,隨著基礎(chǔ)集的增加,軌道分量和原子軌道分量逐漸減少,原子軌道組成逐漸增加。

        表2 水合硅酸分子電子軌道能級(jí)與基組效應(yīng)

        表2(續(xù))

        3.3 水合硅酸分子系統(tǒng)能夠相關(guān)校正

        表3 是水合硅酸分子的基態(tài)能量與基組效應(yīng),隨著基礎(chǔ)計(jì)算期間基數(shù)的增加,分子系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量也會(huì)越來(lái)越低,在此基礎(chǔ)上,分子應(yīng)盡可能使用基礎(chǔ)集,由基礎(chǔ)集計(jì)算出的能量比更高,對(duì)系統(tǒng)能量有更大影響,但使用的幾何配置參數(shù)不足,導(dǎo)致子系統(tǒng)能量較低,因此,從更接近描述使用的各種基集及其校正能量值可以看出,基數(shù)越小,相關(guān)能量的校正效果越好[5]。從水合硅酸分子系統(tǒng)能夠相關(guān)校正的計(jì)算可以看出,基態(tài)系統(tǒng)的基數(shù)越大,系統(tǒng)能量越低,因此,應(yīng)該增加基礎(chǔ)集以顯著改善能量計(jì)算。

        表3 水合硅酸分子的基態(tài)能量與基組效應(yīng)(單位:eV)

        4 結(jié)束語(yǔ)

        水合硅酸分子電子結(jié)構(gòu)從頭算是通過(guò)不同的基集進(jìn)行從頭算,可以用于優(yōu)化平衡幾何配置的結(jié)構(gòu)。在計(jì)算系統(tǒng)能量期間,應(yīng)考慮極化和相關(guān)能量校正,進(jìn)而使用基集加法的方法,綜合考慮基集效果確定使用的基集,執(zhí)行分子系統(tǒng)從頭算,以有效分析水和硅酸分子電子結(jié)構(gòu)的基組效應(yīng)。

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