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熔盐结构的研究是理解其物理化学性质变化和电化学过程的基础,而Raman光谱法是研究熔盐结构的重要方法。近些年来Raman光谱的模拟计算发展很快。另一方面,碱金属氟铝酸盐是工业铝电解槽的基础熔盐体系。基于此,本文采用Gaussian09W量子化学软件对碱金属氟铝酸盐系中存在的络合离子团进行势能面和Raman光谱计算,并将计算得到的结果与文献结果进行对比分析,以深入理解碱金属氟铝酸盐系熔盐结构与性能的关系,同时为进一步进行铝电解系熔盐离子结构研究奠定基础。
首先,以常用的量子化学计算方法对碱金属氟铝酸盐系中存在的AlF4-离子团的模拟计算拉曼光谱进行了研究。通过对比文献结果,认为适合该体系的模拟计算方法是密度泛函理论(DFT)。用该计算方法对构建的AlF63-、AlF52-和AlF4-三种Al-F结构体模型进行微观结构研究,分别改变模型的键长,键角等结构参数,研究其能量随着结构参数变化的趋势,找出结构改变时能量的极小值,并采用DFT和6-311g+(d)基组计算能量极小值点的拉曼振动频率及其拉曼活性。结果表明,同时改变键长和键角得到的能量最低点的离子团结构的计算Raman光谱和文献结果更接近,此时AlF4-离子团的Al-F键键长为0.1770nm,F-Al-F键键角为109.55度;AlF52-离子团的Al-F键键长为0.1780nm,F-Al-F键键角为90.03度;AlF63-离子团的Al-F键键长为0.1780nm,F-Al-F键键角为90.02度。
然后,对不同碱金属(Li、Na、K)氟铝熔盐的Raman光谱计算,结果表明,随着碱金属阳离子半径的增大,计算的碱金属氟铝酸盐的Raman光谱发生“蓝移”。
最后,研究了冰晶石-氧化铝熔盐体系以“桥氟”和“桥氧”形式存在的Al2F7-、Al3F10-、Al4F13-、Al2F5+和Al2OF62-、Al2O2F42-络合离子团,结果表明,Al-F络合离子团的“桥氟”结构更倾向于以环状“桥氟”结构形式存在;Al2OF62-离子团的Al-F键的对称伸缩振动在257cm-1,桥氧的对称伸缩振动在435cm-1;Al2O2F42-离子团的Al-F键的对称伸缩振动在653cm-1,“桥氧”的对称伸缩振动在599cm-1。
首先,以常用的量子化学计算方法对碱金属氟铝酸盐系中存在的AlF4-离子团的模拟计算拉曼光谱进行了研究。通过对比文献结果,认为适合该体系的模拟计算方法是密度泛函理论(DFT)。用该计算方法对构建的AlF63-、AlF52-和AlF4-三种Al-F结构体模型进行微观结构研究,分别改变模型的键长,键角等结构参数,研究其能量随着结构参数变化的趋势,找出结构改变时能量的极小值,并采用DFT和6-311g+(d)基组计算能量极小值点的拉曼振动频率及其拉曼活性。结果表明,同时改变键长和键角得到的能量最低点的离子团结构的计算Raman光谱和文献结果更接近,此时AlF4-离子团的Al-F键键长为0.1770nm,F-Al-F键键角为109.55度;AlF52-离子团的Al-F键键长为0.1780nm,F-Al-F键键角为90.03度;AlF63-离子团的Al-F键键长为0.1780nm,F-Al-F键键角为90.02度。
然后,对不同碱金属(Li、Na、K)氟铝熔盐的Raman光谱计算,结果表明,随着碱金属阳离子半径的增大,计算的碱金属氟铝酸盐的Raman光谱发生“蓝移”。
最后,研究了冰晶石-氧化铝熔盐体系以“桥氟”和“桥氧”形式存在的Al2F7-、Al3F10-、Al4F13-、Al2F5+和Al2OF62-、Al2O2F42-络合离子团,结果表明,Al-F络合离子团的“桥氟”结构更倾向于以环状“桥氟”结构形式存在;Al2OF62-离子团的Al-F键的对称伸缩振动在257cm-1,桥氧的对称伸缩振动在435cm-1;Al2O2F42-离子团的Al-F键的对称伸缩振动在653cm-1,“桥氧”的对称伸缩振动在599cm-1。