2线水铁矿的晶胞与团簇模型

薛思蕊; 武鹏; 吕毅军; 刘东; 赵学波; 吴萍萍; 李鹏; 周红星; 张宏玉

摘要：费托合成是合成清洁能源的重要化学反应.2线水铁矿是目前公认的费托合成铁基催化剂的前躯体.由于2线水铁矿热力学稳定性差,因此结构模型的推导主要基于X射线衍射结果和透射电子显微镜.但目前还鲜有将实验与模拟相结合,研究2线水铁矿的纳米团簇的报道.本研究采用实验与模拟相结合的方法,其中,分子模拟采用Material Studio(简称MS)中的Dmol3模块和Forcite模块分别对2线水铁矿的晶胞与团簇模型进行结构优化;实验研究利用沉淀法合成铁基催化剂前驱体2线水铁矿样品,洗涤方法选择离心,干燥方式选择冷冻干燥;表征方法包括、X射线衍射分析和红外光谱分析.从实验制备的2线水铁矿的X射线衍射结果出发,并结合米歇尔等给出的晶胞模型参数,搭建了2线水铁矿的晶胞模型、直径为2.66 nm的2线水铁矿球形纳米团簇及边长为3.22 nm的2线水铁矿立方体纳米团簇模型.在对模型进行了结构最优化后,通过模拟的X射线衍射对比图验证了晶胞与团簇模型的合理性,即实验与模拟的衍射峰差别控制在1.0°以内.结果表明,通过不同泛函结构优化后得到的模型的X射线衍射图出峰位置分别为35.9°/62.7°(GGA/PBE)和35.8°/61.9°(m-GGA/M06-L).比较实验值(35.1°/62.0°),2种计算结果的差值均在1.0°以内,且m-GGA/M06-L泛函计算结果更加接近实验值.对于两种纳米团簇模型,Fine精度计算得到的结果最准确,且两种不同形状的团簇模型均为最优模型.本研究强调了实验与模拟的紧密性,从实验结果出发,结合MS软件的X射线衍射模拟功能,成功搭建了合理的晶胞与团簇模型,对2线水铁矿结构的研究提供了依据.