氢化氧化铝的同位素效应研究

任桂明; 郑圆圆; 王丁; 王林; 谌晓洪; 王玲; 马敏; 刘华兵

doi:10.7498/aps.63.233104

摘要

在B3LYP/6-311++G(d, p)水平上预测了Al2O3H3分子的较低能量构型. 其基态构型具有Cs对称性, 电子态为1A'. 通过研究Al2O3M3和M2 (M=H, D, T)的能量E、定容热容CV和熵S, 用电子振动近似讨论了Al2O3+3/2 M2→Al2O3M3反应的氢同位素效应,得到了Al2O3氢化的热力学函数△H0, △S0, △G0,及平衡压力与温度的关系. 研究表明, 氧化物Al2O3吸附氢(氘,氚)反应的同位素排代效应顺序为氚排代氘, 氘排代氢,与钛等金属的同位素排代顺序相反. 但排代效应都非常弱, 且随着温度的增加趋于消失.

关键词:

Abstract

The lower energy structures of Al2O3H3 molecular clusters are optimized through DFT/B3LYP connected with 6-311g++(d, p) all electrons basis set. It is found that the ground state configuration of Al2O3H3 has 1A' electronic state and Cs symmetry. Based on the research on energy, heat capacity at constant volume, entropy of Al2O3M3 and M2 (M=H, D, T), the hydrogen isotope effects of reactions between Al2O3 and hydrogen (deuterium or tritium) gas are studied by means of the solid electron-vibration approximation. In addition, the changes of enthalpy, entropy and Gibbs free energy, and the relation between equilibrium pressures and temperatures are presented. The investigation suggests that hydrogen can be replaced by deuterium, and deuterium can be replaced by tritium in the reactions between Al2O3 and M2 with the productions of solid Al2O3M3 (M=H, D, T). This replacement sequence is opposite to the metallic isotope effect e. g. for titanium, however these replacement effects are very weak, and they are weaker and weaker as the temperature increases.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西华大学物理与化学学院, 成都 610039;

2.
西华大学先进计算中心, 成都 610039

基金项目: 四川省教育厅重点项目(批准号:14ZA0113)和西华大学研究生创新基金(批准号:ycjj2014129)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Physics-Chemistry, Xihua University, Chengdu 610039, China;

2.
Research Center for Advanced Computation, Xihua University, Chengdu 610039, China

Funds: Project supported by the Key Fund Project of Education Department of Sichuan Province, China (Grant No. 14ZA0113) and the Innovation Fund of Postgraduate of Xihua University, China (Grant No. ycjj2014129).

参考文献

[1]	Arcaro S, Cesconeto F R, Raupp-Pereira F, Novaes de Oliveira A P 2014 Ceram. Int. 40 5269
[2]	Dudák M, Nováka V, Kočí P, Marek M, Blanco-Garcíab P, Jones G 2014 Appl. Catal. B: Environ. 150-151 446
[3]	Estifaee P, Haghighi M, Mohammadi N, Rahmani F 2014 Ultra. Sono. Chem. 21 1155
[4]	Nie Y L, Hu C, Li N N, Yang L, Qu J H 2014 Appl. Catal. B: Environ. 147 287
[5]	Hong Y K, Lee D W, Eom H J, Lee K Y 2014 Appl. Catal. B: Environ. 150-151 438
[6]	Chu Y Q, Zhang M H, Huo Z L, Liu M 2014 Chin. Phys. B 23 088501
[7]	Yang Z, Yang J Z, Huang Y, Zhang K, Hao Y 2014 Chin. Phys. B 23 077305
[8]	DeLuca L T, Galfetti L, Severini F, Rossettini L, Medab L, Marrab G, D'Andrea B, Weiser V, Calabro M, Vorozhtsov A B, Glazunov A A, Pavlovets G J 2007 Aero. Sci. Technol. 11 18
[9]	Cobos C J 2002 J. Mol. Struc. 581 17
[10]	Cai M, Carter C C, Miller T A, Bondydey V E 1991 J. Chem. Phys. 95 73
[11]	Desai S R, Wu H, Rohlfing C M, Wang L S 1997 J. Chem. Phys. 106 1309
[12]	Serebrennikov L V, Osin S B, Maltsev A A 1982 J. Mol. Struct. 81 25
[13]	Sonchlk S M, Andrews L, Cartson K D 1983 J. Phys. Chem. 87 2004
[14]	Andrews L, Burkholder T R, Yustein J T 1992 J. Phys. Chem. 96 10182
[15]	Friedman R, MaCek A 1963 9th Symposium (International) on Combustion (Pittsburgh: Combustion Institute) p703
[16]	Bucher P, Yetter R A, Dryer F L, Parr T P, Hanson-Parr D M, Vicenzi E P 1996 26th Symposium (International) on Combustion (Pittsburgh: Combustion Institute) p1899
[17]	Zhu Z H, Liu Y C, Wang H Y, Jiang G, Tan M L, Wu R, Jiang G Q, Luo D L 1998 Chin. J. Atom. Mol. Phys. 15 435 (in Chinese) [朱正和, 刘幼成, 王红艳, 蒋刚, 谭明亮, 武胜, 蒋国强, 罗德礼 1998 原子分子物理学报 15 435]
[18]	Zhu Z H, Sun Y, Zhong Z K, Zhang L, Wang H Y 2003 Chin. J. Atom. Mol. Phys. 20 525 (in Chinese) [朱正和, 孙颖, 钟正坤, 张莉, 王和义 2003 原子与分子物理学报 20 525]
[19]	Chen X H, Zhu Z H, Gao T, Luo S Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 3420 (in Chinese) [谌晓洪, 朱正和, 高涛, 罗顺忠 2006 物理学报 55 3420]
[20]	Chen X H, Gao T, Luo S Z, Ma M Z, Xie A D, Zhu Z H 2006 Acta Phys. Sin. 55 1113 (in Chinese) [谌晓洪, 高涛, 罗顺忠, 马美仲, 谢安东, 朱正和 2006 物理学报 55 1113]
[21]	Frisch M J, Trucks G W, Schlegel H B, Montgomery J A 2003 Gaussian 03 (Revision B. 03) (Wallingford: Gaussian Inc.)

施引文献

[1]	Arcaro S, Cesconeto F R, Raupp-Pereira F, Novaes de Oliveira A P 2014 Ceram. Int. 40 5269
[2]	Dudák M, Nováka V, Kočí P, Marek M, Blanco-Garcíab P, Jones G 2014 Appl. Catal. B: Environ. 150-151 446
[3]	Estifaee P, Haghighi M, Mohammadi N, Rahmani F 2014 Ultra. Sono. Chem. 21 1155
[4]	Nie Y L, Hu C, Li N N, Yang L, Qu J H 2014 Appl. Catal. B: Environ. 147 287
[5]	Hong Y K, Lee D W, Eom H J, Lee K Y 2014 Appl. Catal. B: Environ. 150-151 438
[6]	Chu Y Q, Zhang M H, Huo Z L, Liu M 2014 Chin. Phys. B 23 088501
[7]	Yang Z, Yang J Z, Huang Y, Zhang K, Hao Y 2014 Chin. Phys. B 23 077305
[8]	DeLuca L T, Galfetti L, Severini F, Rossettini L, Medab L, Marrab G, D'Andrea B, Weiser V, Calabro M, Vorozhtsov A B, Glazunov A A, Pavlovets G J 2007 Aero. Sci. Technol. 11 18
[9]	Cobos C J 2002 J. Mol. Struc. 581 17
[10]	Cai M, Carter C C, Miller T A, Bondydey V E 1991 J. Chem. Phys. 95 73
[11]	Desai S R, Wu H, Rohlfing C M, Wang L S 1997 J. Chem. Phys. 106 1309
[12]	Serebrennikov L V, Osin S B, Maltsev A A 1982 J. Mol. Struct. 81 25
[13]	Sonchlk S M, Andrews L, Cartson K D 1983 J. Phys. Chem. 87 2004
[14]	Andrews L, Burkholder T R, Yustein J T 1992 J. Phys. Chem. 96 10182
[15]	Friedman R, MaCek A 1963 9th Symposium (International) on Combustion (Pittsburgh: Combustion Institute) p703
[16]	Bucher P, Yetter R A, Dryer F L, Parr T P, Hanson-Parr D M, Vicenzi E P 1996 26th Symposium (International) on Combustion (Pittsburgh: Combustion Institute) p1899
[17]	Zhu Z H, Liu Y C, Wang H Y, Jiang G, Tan M L, Wu R, Jiang G Q, Luo D L 1998 Chin. J. Atom. Mol. Phys. 15 435 (in Chinese) [朱正和, 刘幼成, 王红艳, 蒋刚, 谭明亮, 武胜, 蒋国强, 罗德礼 1998 原子分子物理学报 15 435]
[18]	Zhu Z H, Sun Y, Zhong Z K, Zhang L, Wang H Y 2003 Chin. J. Atom. Mol. Phys. 20 525 (in Chinese) [朱正和, 孙颖, 钟正坤, 张莉, 王和义 2003 原子与分子物理学报 20 525]
[19]	Chen X H, Zhu Z H, Gao T, Luo S Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 3420 (in Chinese) [谌晓洪, 朱正和, 高涛, 罗顺忠 2006 物理学报 55 3420]
[20]	Chen X H, Gao T, Luo S Z, Ma M Z, Xie A D, Zhu Z H 2006 Acta Phys. Sin. 55 1113 (in Chinese) [谌晓洪, 高涛, 罗顺忠, 马美仲, 谢安东, 朱正和 2006 物理学报 55 1113]
[21]	Frisch M J, Trucks G W, Schlegel H B, Montgomery J A 2003 Gaussian 03 (Revision B. 03) (Wallingford: Gaussian Inc.)

[1]	管韵, 王波波. 环面黑洞的热力学函数. 物理学报, 2022, (): . doi: 10.7498/aps.71.20212370
[2]	管韵, 王波波. 环面黑洞的热力学函数. 物理学报, 2022, 71(11): 110401. doi: 10.7498/aps.70.20212370
[3]	陈基, 冯页新, 李新征, 王恩哥. 基于路径积分分子动力学与热力学积分方法的高压氢自由能计算. 物理学报, 2015, 64(18): 183101. doi: 10.7498/aps.64.183101
[4]	王茗馨, 王美山, 杨传路, 刘佳, 马晓光, 王立志. 同位素效应对H+NH→N+H2反应的立体动力学性质的影响. 物理学报, 2015, 64(4): 043402. doi: 10.7498/aps.64.043402
[5]	夏文泽, 于永江, 杨传路. 同位素取代和碰撞能对N(4S)+H2反应立体动力学性质的影响. 物理学报, 2012, 61(22): 223401. doi: 10.7498/aps.61.223401
[6]	孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真. 载能氢同位素原子与石墨(001)面碰撞的分子动力学研究. 物理学报, 2012, 61(5): 055201. doi: 10.7498/aps.61.055201
[7]	杨雷, 谌晓洪, 王玲, 胡连瑞. Al2O3X2 (X= H, D, T)的电子振动近似方法. 物理学报, 2012, 61(23): 232501. doi: 10.7498/aps.61.232501
[8]	令狐荣锋, 徐梅, 王晓璐, 吕兵, 杨向东. Ne原子与H2分子碰撞的同位素替代效应研究. 物理学报, 2010, 59(4): 2416-2422. doi: 10.7498/aps.59.2416
[9]	许燕, 赵娟, 王军, 刘芳, 孟庆田. 碰撞能和同位素取代对H+BrF→HBr+F反应立体动力学影响的理论研究. 物理学报, 2010, 59(6): 3885-3891. doi: 10.7498/aps.59.3885
[10]	刘新国, 孙海竹, 刘会荣, 张庆刚. O++H2及其同位素取代反应的立体动力学研究. 物理学报, 2010, 59(11): 7796-7802. doi: 10.7498/aps.59.7796
[11]	孔浩, 刘新国, 许文武, 梁景娟, 张庆刚. He+H+2及其同位素取代反应的立体动力学研究. 物理学报, 2009, 58(10): 6926-6931. doi: 10.7498/aps.58.6926
[12]	林洁, 刘绍军, 李融武, 祝文军. 自由能方法与零压下Al的熔化温度. 物理学报, 2008, 57(1): 61-66. doi: 10.7498/aps.57.61
[13]	沈光先, 汪荣凯, 令狐荣锋, 杨向东. 3He(4He)与H2分子碰撞的同位素效应研究. 物理学报, 2008, 57(6): 3452-3457. doi: 10.7498/aps.57.3452
[14]	罗文浪, 阮文, 张莉, 谢安东, 朱正和. 氢同位素氚水T2O(X1A1)的解析势能函数. 物理学报, 2008, 57(8): 4833-4839. doi: 10.7498/aps.57.4833
[15]	谌晓洪, 王玲, 朱正和, 罗顺忠. Al2O3X(X=H, D, T)的电子振动近似理论方法研究. 物理学报, 2007, 56(8): 4467-4476. doi: 10.7498/aps.56.4467
[16]	宋晓艳, 高金萍, 张久兴. 纳米多晶体的热力学函数及其在相变热力学中的应用. 物理学报, 2005, 54(3): 1313-1319. doi: 10.7498/aps.54.1313
[17]	薛卫东, 朱正和. CUO基态分子热力学稳定性研究. 物理学报, 2003, 52(12): 2965-2969. doi: 10.7498/aps.52.2965
[18]	熊必涛, 蒙大桥, 薛卫东, 朱正和, 蒋刚, 王红艳. 铀与水蒸气体系的热力学性质计算. 物理学报, 2003, 52(7): 1617-1623. doi: 10.7498/aps.52.1617
[19]	高涛, 王红艳, 易有根, 谭明亮, 朱正和, 孙颖, 汪小琳, 傅依备. PuO分子X5Σ-态的势能函数及热力学函数的量子力学计算. 物理学报, 1999, 48(12): 2222-2227. doi: 10.7498/aps.48.2222
[20]	马兴孝. 激光分离同位素的动力学. 物理学报, 1979, 28(1): 1-14. doi: 10.7498/aps.28.1

计量

文章访问数: 5332
PDF下载量: 493
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板