红外光谱技术在水合钛离子团簇结构预测中的应用研究.docx

《红外光谱技术在水合钛离子团簇结构预测中的应用研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外光谱技术在水合钛离子团簇结构预测中的应用研究.docx（17页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、自然界中存在各种各样的离子，而水作为一种重要的溶剂，与离子结合会形成各种水合离子团簇，本文的主要目的就是通过红外光谱技术推测出水合钛离子团簇的稳定结构。红外光谱技术常被应用于预测水合离子团簇的稳定结构，通过OH键振动频率的迁移推断金属离子与水分子之间的相互作用情况，得到红外光谱图，并进一步推测水合钛离子团簇的稳定结构。本毕业设计使用MaterialSStUdio简单搭建出了所需要使用的四种小尺寸水合钛离子团簇结构模型，并进行了简单优化，再采用Gaussian,进一步优化模型，使模型更趋向于真实环境下的稳定结构，在此模型基础下，进行简谐振动模拟，得到红外光谱图。对比四种水合钛离子团簇稳定结构模型

2、，测量结构模型中的键长键角，尝试对比数据得到规律，同时，对红外光谱图进行对比分析，探索结构模型与红外光谱图的关系。最后，查阅相关资料，结合数据对比所得规律，得到最后的结论。关键词：团簇稳定结构；水合钛离子团簇；红外光谱；几何优化ABSTRACTThereareavarietyofionsinnature,andwater,asanimportantsolvent,combineswithionstoformvarioushydratedionclusters,andthemainpurposeofthispaperistoinferthestablestructureofhydratedtit

3、aniumionclustersbyinfraredspectroscopy.Infraredspectroscopyisoftenusedtopredictthestablestructureofhydratedionclusters,infertheinteractionbetweenmetalionsandwatermoleculesthroughthemigrationofO-Hbondvibrationfrequency,obtaininfraredspectra,andfurtherpredictthestablestructureofhydratedtitaniumionclus

4、ters.ThisgraduationprojectusesMaterialsStudiotosimplybuildthestructuremodeloffoursmall-sizehydratedtitaniumionclustersthatneedtobeused,andsimplyoptimizesit,andthenusesGaussiantofurtheroptimizethemodel,sothatthemodelismoreinclinedtothestablestructureintherealenvironment,andonthebasisofthismodel,simpl

5、eharmonicvibrationsimulationiscarriedouttoobtaininfraredspectroscopy.Thestablestructuremodeloffourhydratedtitaniumionclusterswascompared,thebondlengthbondangleinthestructuralmodelwasmeasured,andthelawwasobtainedbycomparingthedata,andtheinfraredspectrumwascomparedandanalyzedtoexploretherelationshipbe

6、tweenthestructuralmodelandtheinfraredspectrum.Finally,consulttherelevantinformation,combinethelawsobtainedbydatacomparison,andobtainthefinalconclusion.Keywords:Clusterstablestructure;Hydratedtitaniumionclusters;Infraredspectroscopy;Geometricoptimization第1章绪论11.1 引言11.2 团簇的研究意义11.3 团簇的研究背景21 -3.1国内外研

7、九现状21.4 红外光谱技术41.5 Ti元素简介51.6 软件介绍51. 6.1MaterialsStUdiO软件51. 6.2GaUSSlanF5第2章水合钛离子团簇71.1 水合钛离子团簇的稳定结构与红外光谱图72.1.1水合钛离子团簇稳定结构图72. 1.2红外光谱图102. 2.3小结12第3章结论13参考文献14致谢16第1章绪论1.1 引言1956年E.M.beck从喷泉束中发现氢分子的冷凝即氢原子的团簇形成，团簇的研究发展到今天，已经有七十年的历史，在这七十年的时间里，人们发现了团簇的特殊地位，即团簇作为集结体，其性质既不同于固体液体，也不同于单个原子分子，而且其并不能通过二者

8、的简单内插和线性外延得到。团簇是介于微观原子、分子与宏观凝聚态之间的物质结构新层次，具有确定的原子数量和精确可控的几何与电子结构。团簇作为各种物质由原子分子向大块物质转变过程中出现的特殊物相，代表了凝聚态物质的初始状态网。所以，团簇又被人们称为“第五态”。南京大学于1985年成立了团簇研究组，在溅射团簇、自由团簇、支撑团簇、嵌埋团簇和团簇构成纳米固体等方面，取得一些重要成果。2022年4月7日，我国国家自然科学基金委员会发布了一项通告，即：团簇结构、功能及多级演化重大研究计划2022年度项目指南，我们可以通过该项通告发现，对团簇将近七十年的研究使得目前国内外对团簇的研究中心从基础研究走向了应用

9、研究凶。1.2 团簇的研究意义团簇被人们称为“第五态”，从这一名字中我们就可以得知其特殊地位，因此对团簇的研究具有重大意义，而团簇研究也是一门多学科交叉的学科并逐渐发展成一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科，团簇研究有助于我们认识大块凝聚物质的某些性质和规律阿。在研究团簇时，人们获得团簇的方法主要选择人工制造得到，这是人们进行团簇科学研究时的一大基础。目前团簇的产生方法分两大类：物理方法和化学方法UI物理方法包括：载气超声速喷嘴源、激光蒸发团簇源、溅射团簇源、液态金属离化团簇源以及磁控溅射团簇源。化学方法包括：水解、共沉淀、溶剂蒸发等常用的化学方法。图1-1是实验人员采用193nm紫外

10、激光人工解离制得的金纳米团簇，使用的就是物理方法：激光蒸发团簇源。本毕业设计研究的水合钛离子团簇属于分子团簇，一般通过人工物理方法制得。过渡金属纳米团簇是一类可获得原子级精确结构的新型纳米材料，具有合成简便、几何电子结构信息明确、催化活性位易于调控等诸多优势，不仅可以帮助我们理解金属材料的结构转变规律，同时应用于催化剂模型分子的精准设计与构筑，有望从原子水平上揭示催化作用机制与构-效关系规律，进而带来重要的科学发现川。水在自然界无处不在，其作为一种重要的氢键体系和溶剂I网，会与钛相互反应，形成水合钛离子团簇。钛与水分子的相互作用可能表现出催化作用I。对于催化应用，由于金属纳米团簇高的分散性、确

11、定的组成和原子精确且可调的结构，使得金属纳米团簇成为一种模型催化剂，有利于人们更好地理解催化剂结构与活性之间的关系“1.3 团簇的研究背景1.3.1 国内外研究现状一直以来，关于团簇研究的一些基本问题，即：弄清楚团簇如何由原子、分子一步步发展而成，以及随着这种发展，团簇的性质将如何变化，当尺寸多大时，团簇发展成宏观固体。团簇演化过程中，从原子分子到大块的固体晶体结构，随着演化过程的进行，团簇的结构时时刻刻都在发生变化，其性质也随着改变。在这一演化过程中，存在一个点，即从微观世界走向宏观世界的点，当过了这个点，就会从分子原子转化成大块固体的晶体结构。在这个点之后，除了原子分子的增加，其性质将不会

12、再发生改变。这个点被称为“关节点”。需要了解到的就是，不同物质具有不同的关节点，深入探究“关节点”，也是团簇研究的一个重要课题。T.B.Ward等人通过脉冲超声速膨胀中的激光蒸发产生钛-水复合物,在飞行时间光谱仪中选择质量，并使用氯复合物预离解红外激光光解光谱进行研究，密度泛函理论计算提供了这些离子的结构和振动光谱。O-H拉伸区域的光谱表明，这些复合物中的水是完整的，即使插入的结构被计算为更稳定。尽管Ti（H2。）+的基态被确定为四重态，但对Ti（H2）AF的预测和观察是一个双重态。氨气的附着改变了该体系的电子基态】。图1-2为T.B.Ward等人在实验过程中发现的，图中只有3554cm1和3

13、462Cm”的两条谱带,这是具有偏离C2对称轴的氨原子的二氤络合物的预期行为。这导致A旋转常数变的更小，并且K型旋转结构不再能够被解析。3500355036003650370037503800finl图1-2通过消除氮检测到得Ti（H2）Ar+络合物的红外光解离光谱（上迹）。下面的轨迹分别显示了具有四重态或双重态的配合物的部分分辨旋转结构的模拟】。1.3.2 未来的发展趋势对于团簇的研究，已经逐渐从基础研究走向应用研究，长时间的探索过程中，存在一些问题需要被解决，它们阻碍了人们的研究进程，主要是以下几个方面：（1）应探明在团簇演化过程中，随着演化的逐步发展，团簇的结构和性质的变化过程；（2）纳

14、米尺寸团簇原位压成纳米材料的界面结构和性质的关系及其随时间的变化，新型纳米材料合金和实用的纳米陶瓷的制备和性质；（3）尝试找寻某些理论方法，使人们可以快速有效搭建出团簇的结构，判断出团簇的各种性质，并能在实验中观察到其结果，以指导实验制备新材料；（4）需要找到一种快速有效的方法和技术是人们在实验中可以直接确定团簇中原子的位置；（5）采取一些方法，使团簇束可以达到固定的尺寸以及进行量产，使团簇应用走向产业化；（6）尝试发展相关技术，使人们可以做到对团簇结构的精准把控。而这些问题，主要是团簇的产生以及团簇构型的辨别两个方向的，这表明未来团簇研究的发展方向将趋向于这些方面。本文探究红外光谱技术在水合

15、钛离子团簇结构预测方面的应用，符合团簇研究发展趋势。然而，目前红外光谱技术仅应用于较小尺寸范围的水合钛离子团簇的结构预测，鲜少有较大尺寸的结构预测。因此，红外光谱技术在较大尺寸范围的水合钛离子团簇的结构预测方面需进一步的研究。1.4 红外光谱技术二十世纪初，第一张有机化合物的近红外光谱图被人们运用捏谱的方法获得，这是红外光谱技术的开端，人们当时已经预测到这将成为一种崭新的分析手段应用到各个领域之中，但由于当时的计算机技术、化学计量学等各个方面的发展略有落后，人们无法有效便捷的使用该项技术。20世纪80年代，随着化学计量学、计算机技术的发展，近红外光谱技术迅速发展，成为一门独立的分析技术，尤其是

16、在快速、无损检测技术的研究及应用，近红外光谱分析技术迎来了春天L但我国这项技术起步较晚，一直到九十年代初，我国开始大力发展各种分析技术，才致使红外光谱技术开始在我国普及，推动了红外光谱技术在我国的发展进程，使人们在团簇研究领域取得了诸多成果。红外光谱技术利用红外线与物质分子的振动和转动状态相互作用的特性。红外线作为电磁波的一种，它会引起物质中分子的运动状态发生改变，使得分子中几种特定能级的基态跃迁至激发态，进而使连续的电磁波谱上产生吸收信号。团簇的形成是原子逐步演化而成的过程，最终形成宏观的固体结构。在演化过程中，分子中几种特定能级的基态将跃迁到激发态，使分子中的键原子产生振动能级的跃迁现象,

17、红外吸收光谱刚好运用了这方面的特性来产生吸收光谱。通过红外光谱图，观察其上的诸多特征吸收峰，各个特征吸收峰会与团簇中不同的分子基团相对应，由此可以根据红外光谱推断出分子结构式22】。1.5 Ti元素简介20世纪50年代，人们发现了钛的重要性，研究发现，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、无毒无磁、可焊接、表面可装饰性强等特性。正因为钛的诸多特性，人们将钛应用到了生活中的各个方面，例如汽车制造、医疗器械和人工关节等。由于钛具有轻量、强度高、耐腐蚀等优良特性，因此被广泛用于生产高性能合金、钛合金和超导材料等。此外，钛还是一种重要的生物医用材料，因为其与人体绝对无毒的特性，其可用于制造人工骨骼、牙

18、科种植体和人工心脏瓣膜等。而水作为一种重要的氢键体系和溶剂，在自然界无处不在。会与钛结合形成水合钛离子团簇，研究水合钛离子团簇的结构与性质也是一个重要的科研方向。1.6 软件介绍1.6.1 MaterialsStudio软件MaterialsStUdio软件由ACCelryS公司开发,采用的是服务器/客户机的工作环境。同时，它作为一款模拟软件，是专门为材料科学研究者开发的，目的是为了人们可以十分便捷的在自己的个人电脑或者服务器上进行模拟，并提供世界领先的材料模拟和建模技术。该软件能够帮助解决当前物理化学和材料工业中的关键问题。MaterialsStudio软件包括如下功能模块：Material

19、sVisualizerDiscoverCOMPASSAmorphousCelkReflex、ReflexPlusEquilibriaDMol3CASTEP。该软件功能多样，且操作简单，使用便捷，对于初学者来说，也不需要反复研究，就可以很方便的使用，为材料领域科学研究者提供了诸多的便利。我们使用该软件的DMOl3模块搭建水合钛离子团簇的结构模型。1.6.2 Gaussian软件GaUSSian软件最早可以追溯到七十年代，最初的开发者是约翰波普（1998年诺贝尔化学奖获得者），这软件开发之初是为了可以在量子化学方面提供诸多便利。经过这么多年的发展，诸多先辈的共同努力，已经成为了目前最流行、应用范围

20、最广的量子化学计算程序包。Gaussian软件界面友好、参数多已经被设置好，大大降低了科研工作者从事量子力学的门槛，同时也是初学者利用量子力学理解化学的首选工具】。我们使用GaUSSian软件进行几何结构优化和简谐振动模拟。由于计算资源限制,我们选用B3LYP方法和6-3IG基组对水合钛离子团簇进行几何结构优化和简谐振动计算。第2章水合钛离子团簇2.1 水合钛离子团簇的稳定结构与红外光谱图一般在研究团簇的过程中所使用的团簇一般是由人工制的，通常采用物理方法，而通过物理方法激光蒸发团簇源可以得到我们本毕业设计所研究的水合钛离子团簇,即通过脉冲喷嘴激光蒸发源来得到钛水团簇，其分子式可表述为Ti(H

21、2O)n,与其他被报道的金属水复合物类似，分子式中的n为得到的水合钛离子团簇中所含有的水的个数，我们通过观察水合钢离子团簇的结构图，运用MateriaISStUdiO搭建出了四个水合钛离子团簇结构，即Ti(H2。)+、Ti(H20)2+、Ti(H2。)3+和Ti(H2。)4十这四个分子式的结构，本毕业设计会在DMOl3初步优化的基础之上，使用GaUSSian软件对团簇进行更高精度的结构优化和简谐振动模拟。2.1.1 水合钛离子团簇稳定结构图在尝试搭建模型之前，设想过本毕业设计需要搭建到几个水的水合钛离子团簇才能够较为准确的得到最后的结论，经过仔细分析，最终决定搭建到具有四个水的水合钛离子团簇，

22、分析认为，通过比较Ti(H2O)Ti(H2O)2+稳定结构，得到简单的结论，将结论运用到Ti(H2。讨稳定结构上，简单判断结论是否同样适用，最后尝试推算Ti(H2*稳定结构的一些特点，然后在搭建模型，两相比较，判断结论是否正确。图2-2Ti(H20/团簇的稳定结构。运用MaterialsStudio以及Gaussian两个软件最后得到的水合钛离子团簇稳定结构如图3所示，图中客观准确的呈现出了水合钛离子团簇稳定结构，进行比较可以发现Ti(H2。)+稳定结构和Ti(H2O)2+稳定结构都是对称的以及团簇中的水分子都是完整的，钛离子并不会与氢原子产生键位，图中只存在H-O键、Ti-O键两种键位。Ti

23、(H20)2+稳定结构中的O-Ti-O呈现一个角度，三个原子并不是处于一条直线。需要测量两个水合钛离子团簇稳定结构中的键长、键角这些数据，来支撑最终的结论。表2-1Ti(H2。)+稳定结构和Ti(H2。)2+稳定结构中存在的键长键角。Ti(H20)+稳定结构平均值H-O0.9960.9960.996Ti-O2.0122.012H-O-H()108.945108.945H-O-Ti()125.507125.548125.5275O-Ti-O()无无Ti(H2。)2+稳定结构平均值H-O1.0241.0151.0241.0151.0195Ti-O1.9631.9631.963H-O-H()105.

24、631105.613105.622H-O-Ti()122.596131.772131.767122.619127.1885O-Ti-O()86.59186.591键长：二者的H-O键长平均值存在极小的差距，这点差距可能是计算精度不够所导致的误差，也可能是水合钛离子团簇中的水分子增多，致使0原子对H原子的吸附力减小，键的强度减弱，H-O键键长才会呈现增加的趋势，这一点可以通过与Ti(H20)3+稳定结构中存在的H-O键键长比较来确定最终的原因。与H-O键不同,Ti-O键键长减少，同样可以得出上述两种原因，也需要测量Ti(H20)3+稳定结构中存在的Ti-O键键长来确定。键角：Ti(H2。)+稳定

25、结构中的H-O-H键角比Ti(H20)2+稳定结构要大，测量的单独水分子中存在的H-O-H键角为109.471,与Ti(H2。)+稳定结构中的H-O-H键角极其相似，当然这一点也不排除计算精度不够所导致的误差原因，但是相对于键长的误差，键角的误差就达到了3.323。，与单独水分子中的H-O-H键角比较，认为更主要的原因是Ti(H2O)2+稳定结构中0的孤对电子对更多，所以成键角更小。H-O-Ti键角就呈现增加的趋势，大概是由于水分子的增加，不同水分子中的H存在相互排斥，键角增大。当然，以上的分析并不能得到本毕业设计所需要的结论，于是需要Ti(H2。讨稳定结构来印证这些推断是否正确。图2-3Ti

26、(H2O)3+团簇的稳定结构。Ti(H2O)3+稳定结构如图2.2所示，再次增加一个完整的水分子，稳定结构也趋向于对称，不难揣测对称的水合钛离子团簇结构更趋向于稳定。在测量Ti(H2。短稳定结构中存在的各种键长键角来印证上文的推测。表2-2Ti(H20)3.稳定结构中存在的键长键角。Ti(H20)3+稳定结构平均值H-O0.9930.9930.9990.9900.9990.9900.994Ti-O2.0442.0432.0052.0307H-O-H()110.209111.475110.222110.635H-O-Ti()124.367124.158122.267124.055122.1951

27、24.135O-Ti-O()141.011141.14077.849123.5295键长：Ti(H2O)3+稳定结构中的H-O键键长平均值相较于Ti(H2O)2+稳定结构中的H-O键键长要小，更接近于Ti(EO)+稳定结构中的H-O键键长，通过这一点，我们可以大致排除上文中关于水合钛离子团簇中的水分子增多，致使0原子对H原子的吸附力减小，键的强度减弱，H-O键键长才会呈现增加的趋势这一推测，判断出导致数值增加的原因为计算精度的问题。同理，Ti-O键键长也可以认为是计算精度的问题。键角:Ti(H2。)3+稳定结构中的H-O-H键角并没有如推测那般降低,而是增加了，所以H-O-H键角的差距应当也是

28、计算精度问题。而且，H-O-Ti的键角也并未增加。Ti(H20)3+稳定结构中存在O-Ti-O键角，并未求其平均值，主要原因是观测其模型,认为其平均值并不具备实际意义，相反，可以将Ti(H20短稳定结构视为Ti(HzO)+稳定结构和Ti(H20”+稳定结构的结合，将Ti(H2。)3+稳定结构的较小O-Ti-O键角与Ti(H2O)2+稳定结构中的O-Ti-O键角进行比较，更具有意义。可以推测出，由于增加了一个水分子，水分子间相互排斥，使Ti(H2O)3+稳定结构的O-Ti-O键角相较于Ti(H20”+稳定结构中的O-Ti-O键角减小。当然，这一结论并不一定适用于其他的水合钛离子团簇。在搭建具有四

29、个水分子的模型之前，先对其进行推测，认为其稳定结构也是趋向于对称，其他的键长键角无明显增大减小变化。图2-4Ti(H2。1团簇的稳定结构。Ti(H20)/稳定结构确实趋向于对称。表2-3Ti(H201稳定结构中存在的各种键长键角。Ti(H20)4+稳定结构平均值H-O0.9981.0040.9931.0000.9990.9930.9970.9890.997Ti-O2.0422.1032.0532.0572.064H-O-H()111329110.034110.282109.699110336124.151116.696113.109135.074H-O-Ti()123.237121.34312

30、7.734127.716120.076O-Ti-O()101.25480.981100.97776.93690.037键长键角得到平均值以后，确实并没有发现相关规律，但是既然计算精度问题可以否认我们相比较所得出的结论，自然也可能是由于计算精度致使一般规律被埋没，并未被我们发现。2. 1.2红外光谱图经过Gaussian软件对团簇简谐振动模拟。我们将得到具有不同水分子的水合钛IR SpectrumD (IoldoeSUN cm2) OooooOoooo 864200000 Oooo 1 111186420离子团簇红外光谱图。红外光谱图将会呈现团簇分子内部各种键位的伸缩弯曲振动。900-800二z

31、-s700-600z0500二400-300-200-100-0-05001,0001,5002,0002,5003,0003,5004.000Frequency(Cnrl)IR Spectrum1.600Li200-0-11, 400 -G 1, 200 - 1B 1.000- 。 -800- 600-3 400-图2-5Ti(H2。)+团簇的红外光谱图。-5,000-4,500-4,000-3,500-3,000-2,500-2,000-1,500-1,000-500-005001,0001,5002,0002,5003,0003,5004,000Frequency(cb1)图2-6Ti(

32、H20)2,团簇的红外光谱图。观测红外光谱图,其特征峰分布呈现规律性变化,主要分布在500CmJ1700cm-1以及3500Cm-I左右，3500cm1左右是H-O键的伸缩运动,500cm1以及1700Cln-I左右存在的是H-O键的弯曲运动，500Cm-I之前会存在Ti-O键的伸缩运动。通过比较红外光谱图，可以推断出以下几点：1、随着水分子增多，简谐振动模式增多，特征峰相应增加，这一点是不难得到印证的，水分子增多，水合钛离子团簇中的各种键位增多，简谐振动也会相应增加。2、随着水分子增多，H-O键伸缩振动的频率偏向于减小，说明随着水分子个数的增加，过渡金属离子与水分子之间的相互作用减弱。Fre

33、quency (CinT)图2-7 Ti(H2O)3+团簇的红外光谱图。IR Spectrum4,3, 500 - G 3, 000 - 2,500- -2,000- 1,500- w 1.000-500- 0-IR Spectrum05001,0001,500 2,0002,500 3,0003,5004,000Frequency (CnrI)图2-8 Ti(H团簇的红外光谱图。2.2.3小结水合钛离子团簇稳定结构：本毕业设计得到了稳定结构中所有的键长键角，但是随着数据的比对，并未在其中发现任何规律，而查阅资料，认为主要原因应当归咎到计算精度问题，水合钛离子团簇内部随着水分子的增加产生的微小

34、变化，并不是本毕业设计的计算精度所能达到的，这方面就需要借助高精度的专业设备。通过观察水合钛离子团簇稳定结构模型，发现本毕业设计所涉及的四种小尺寸水合钛离子团簇都是具有对称性的，以及水合钛离子团簇稳定结构模型中，Ti离子与水分子中的O原子由于相互作用力相互吸引，使二者相距较近，表现出键位。通过红外光谱图，发现两点：1、随着水分子增多，特征峰增多，表明水合钛离子团簇内部分子简谐振动增多。2、随着水分子增多，H-O键伸缩振动的频率偏向于减小，说明随着水分子个数的增加，过渡金属离子与水分子之间的相互作用减弱。第3章结论运用MaterialsStUdio的DMOl3模块,我们搭建出四种小尺寸的水合钛离

35、子团簇，即Ti(H20)+、Ti(H20”+、Ti(H2O)3+和Ti(H2O)4*,使用Gaussian软件进行结构优化和简谐振动模拟。由于计算资源限制，我们选用了B3LYP方法和6-31G基组对水合钛离子团簇进行几何结构优化和简谐振动计算。得到我们所需要的水合钛离子团簇稳定结构模型以后，对比模型，发现随着水分子增多，水合钛离子团簇稳定结构模型逐渐由绝对对称走向趋向于对称，但也都是具有对称性的。观察我们所得到的水合钛离子团簇稳定结构模型，其内部存在的Ti-C)键应当是Ti金属离子与水分子中O原子由于静电作用这种相互作用力致使相互吸引，拉近了彼此间的距离，在软件中就会表现出成键的效果，其实二者

36、之间并没有成键，属于分子间作用力。测量了所得四种小尺寸水合钛离子团簇稳定结构模型中含有的所有键长键角，对比这些数据，并没有能够发现明显的规律，这方的主要原因是由于我们的计算资源有限，计算的精度并不能达到发现随着水分子增多，水合钛离子团簇稳定结构内部键长键角的微小变化，这方面就需要借助高精度的专业设备，达到相关的精度要求，才可以探索得到里面蕴藏的诸多规律。最后，对比了红外光谱图，发现两点，1、水分子增加，红外光谱图中的特征峰增多，团簇中的键位振动增多；2、水分子增多，H-O键伸缩振动的频率偏向于减小，说明随着水分子个数的增加，过渡金属离子与水分子之间的相互作用减弱。以上规律相互结合，认为红外光谱

37、图作为水合钛离子团簇经过简谐振动模拟得到的，两者之间存在诸多互通之处，在实验中，当我们得到一种水合钛离子团簇，需要探测其稳定结构时，可以运用红外光谱技术，得到红外光谱图，然后可以通过分析红外光谱图得到水合钛离子团簇内部存在的键，如35OOcm-1附近存在特征峰,可以推测得到水合钛离子团簇内部存在H-O键，观察3500Cm-I附近特征峰的数量,可以了解到水合钛离子团簇内部存在的H-O键数量。以上几点在研究团簇结构，探究其性质时，会对研究者提供巨大的帮助，这也是红外光谱技术得到大力发展的重要原因之一。参考文献1|Bluesnowfox128.团簇的研究现状及展望.(2013-12-20)2023-

38、5-24.https:/www.docin.eom/p-743262096.html.2郭宇，刘志锋，赵纪军.团簇构造新世界的超原子J.物理，2022,51(08):550-558.(31王成猛，王海燕，高雪云等.利用第一性原理研究Lan(=210)小团簇的结构与稳定性J.材料导报，2019,33(S2):222-225.4 Pang,J.Z.,Wang,G.H.,Dou,L,etal.Lett.A,117,115(1986).5 Wang,G.H.,Dou,L.,Liu,Z.G,etal.Rev.B,37,9093(1988).61Chen,X.S.,Zhao,etal.Phys.Lett,

39、65(19),2419(1994).7王广厚，物理学进展，14(2),122(1994).8国家自然科学基金委员会.(2022).科学基金重大项目指南.北京：科学出版社.9Bjornholm,S.,Contemp.Phys.,31,309(1990).IlOl冯端,金国均，物理学进展,11,373(1991).II李公平，包良满，张小东等.团簇产生原理及方法J.真空与低温,2003,(04):27-32.112 MandyJIA.团簇及其制备与反应简介.(2020-6-30)2023-5-261.https:/max.book118.cohtml/2020/0630/8050102123002

40、12Lshtm.13陈润.基于自适应免疫优化算法用于大尺寸合金团簇结构优化D.安庆师范大学，2019.113 14马晓双.材料学院汪恕欣课题组在金属纳米团簇合成、转化及其催化应用领域取得新进展.(2023-2-13)2023-5-24.114 1.iuZheyi,QinZhaoxian,CuiChaonan,elal.In-situgenerationandglobalproperlyprofilingofmetalnanoclustersbyultravioletlaserdissociation-massspectrometryJ.ScienceChinaChemistry,2022,65

41、(6).16石瑞丽水合离子团簇结构和红外光谱的第一性原理研究D.大连理工大学，2019.115 Bokharaie-SadeghA,GoharshadiEK,RezaiM,etal.AdsorptionofawatermoleculeonthesurfaceofneutralandchargedtitaniumclustersJ.JournalofMolecularLiquids,2019,288:167-173.18庄志华.金属纳米团簇的合成及其催化应用D.中国科学技术大学，2020.116 Wang,G.H.,Proc.of3rdAsia-PacificPhysicsConf.(eds.C

42、hen,Y.W.,Leung,A.E,Yang,C.N.Young,K)WorldScientific,Singapore,P1004(1988).117 T.B.Ward,P.D.Carnegie,M.A.Duncan.InfraredspectroscopyoftheT1(H2O)Ar+ion-moleculecomplex:ElectronicstateswitchinginducedbyargonJ.ChemicalPhysicsLetters,2016,654:1-5.21领先检测.红外光谱技术发展史.(2020-11-16)2023-5-30.https:/zhuanlan.zhi

43、hu.eom/p/296579504.221木木西里.最全动图详解紫外吸收光谱、红外吸收光谱法、气相色谱法等15种仪器分析原理.(2020.4.20)2023.3.151.https:/www.sohu.eom/a/388213324_427184.23J科学指南针.MaterialsSIUdio入门级介绍.(2023-05-04)2023-05-24.24清华大学化学系科协.Gaussian入门.(2016-09-22)2023-05-24.https:/thuchemst.github.ioZ2Ol60922gaussian-introduction.致谢时光荏苒，岁月如梭，我的四年大学生

44、活已经悄然结束，接近了尾声。疫情三年，占据了我大学生活的四分之三，被封在学校内，致使我并不能够趁着大学时间外出游玩，看一看祖国的大好河山，但是也令我可以塌下心来专心学习，与同学与老师彼此之间更加熟悉。虽然四年大学生活跟我想象中的大学生活差距较大，但我也还是学到了很多的知识，开阔了视野，同时我还参加了社团，也通过社团这一渠道认识了很多多才多艺的同学，大家相互学习，相互进步，度过了乏味但又充实的疫情封校生活。在本次毕业设计中，我们使用了MaterialsStUdio软件的DMOI3模块和GaUSSian软件，对水合钛离子团簇进行了结构优化和简谐振动模拟。在这一过程中，我的导师石瑞丽对我进行多次指导和支持。导师在研究过程中给予了宝贵的建议和指导，为我们提供了良好的学习环境和实验条件。最后，我们要感谢大学对我们的培养和支持。在校期间，学校为我们提供了优秀的学习资源和学术氛围。通过这次研究，我们对水合钛离子团簇的结构和性质有了更深入的理解，并且发现了红外光谱图在分析水合钛离子团簇内部键的作用。这为进一步研究和应用水合钛离子团簇提供了有益的参考。再次对以上所有给予帮助和支持的人员表示由衷的感谢！