新型超卤素团簇结构设计原理与应用的计算模拟研究

Superhalogen is one of the hottest topics in material physics, material chemistry and nano-material science. It is a kind of clusters or molecular structures that whose electron affinity are larger than that of halogen atoms (3.6 eV). Due to the specialty of the structures and properties, theoretical and experimental workers have done a wide range of research. It indicated that they may have not only similar properties as the halogen atoms，such as strong oxidizing property, high reactivity etc., but also more excellent properties than the halogen atoms, such as they may be potentially used in the nonlinear optical materials, organic superconductors, high energy density materials etc.. This project intends to systematically study different types of superhalogen structures (mainly including MxLy type superhalogen and magic number clusters) and the mechanism of their electron affinities with density functional theory. Based on our previous study, we will design new kinds of superhalogen structures which have even higher electron affinities than current ones by changing the central atoms and the ligand molecules, or changing their combination modes. By studying their geometrical structures, electronic structures, and magnetical, optical and catalytical properties, we will discuss their applications in optical materials, biological and catalysis industrial etc.. This work will help to provide directions in the synthesis of new superhalogen clusters for experimental workers and in a fundamental understanding of their behavior and applications.

超卤素结构是目前材料物理、材料化学和纳米材料学共同关注的热门课题之一，它是电子亲和能比卤素原子电子亲和能（3.6 eV）更高的一类团簇或分子结构，广泛的理论和实验研究表明，它们不仅具有类似卤素的性质，如强氧化性、高反应活性等，而且还具有比卤素更加优异的特性，研究发现它们在非线性光学材料、有机超导体、高能密度材料等方面均有潜在的应用前景。在我们原有研究工作基础上，本项目拟采用密度泛函理论系统地研究不同种类（主要为MxLy型和幻数团簇型）超卤素团簇的电子结构，探索它们电子亲和能的变化规律及内在机理，在此理论基础上，重点研究通过寻找和改变中心原子、配体分子、以及改变二者结合方式等手段，来设计新型的超卤素团簇结构，并深入系统地研究它们的几何构型、电子结构，及磁学、光学、催化性能，探讨它们在光学材料、生物与催化方面的应用问题，为实验室合成和实际应用超卤素团簇提供理论指导和技术支撑。

超卤素结构是目前材料物理、材料化学和纳米材料学共同关注的热门课题之一，它是电子亲和能比卤素原子电子亲和能（3.6 eV）更高的一类团簇或分子结构，广泛的理论和实验研究表明，它们不仅具有类似卤素的性质，如强氧化性、高反应活性等，而且还具有比卤素更加优异的特性，研究发现它们在非线性光学材料、有机超导体、高能密度材料等方面均有潜在的应用前景。在我们原有研究工作基础上，本项目采用密度泛函理论系统地研究了不同种类超卤素团簇的电子结构，阐明了它们电子亲和能的变化规律及内在机理，并探索超卤素团簇在能源方面的应用问题。重要结果：1）研究通过改变中心原子来设计新型超卤素结构，针对3d、4d和5d过渡金属元素Sc、Ti、Mo、W原子分别与卤素原子F进行相互作用研究，发现了四类MFn型的超卤素团簇结构；2）通过改变配体分子来设计新型超卤素结构，采用了BO2、NO3、IO3等小原子团簇作为配体分别与BO2分子进行复合研究，得到了两类新的复合型超卤素团簇；3）基于MnCl3超卤素体系，研究MnCl3二聚体以及MnCl3分别与卤素原子形成的团簇结构，得到了4种新型的复合超卤素结构；4）研究发现超卤素团簇BO2分子对二维金属酞菁结构具有一定的能带调控作用；5）通过研究不同超卤素团簇对立方相卤化物钙钛矿材料进行掺杂，发现PCl6团簇取代I离子得到的CsPb(PCl6)3体系是一种潜在的钙钛矿太阳能电池材料。项目发表论文7篇，项目负责人组织并参加了国内外学术研讨会7次，获中国材料研究学会先进工作者奖，校级青年教师社会调研优秀项目二等奖，指导学生获优秀本科毕业设计（论文）一等奖、优秀毕业生等荣誉。项目研究成果为实验室合成和实际应用超卤素团簇提供了理论指导和技术支撑。