توصيفگر ها :
نظريه تابعي چگالي تنگابست , پارامترسازي , خوشه هاي طلا و نقره , نانوسطوح طلا و نقره , جابجايي گاز - آب , دوسردندانه , ايزوكربونيل
چكيده فارسي :
اين رساله با هدف توسعهي روشهاي محاسباتي و شناسايي عوامل كليدي در بهبود كارايي واكنشهاي كاتاليستي و سامانههاي فلز - آب تدوين گرديد. در بخش نخست، يك پارامترسازي نوين براي مطالعهي سامانههايO2H-Au ارائه شد كه بر پايهي توليد جفتپارامترهاي جديد با استفاده از ماژول DFTB در نرمافزار Materials Studio 2020 بنا گرديد. آزمونهاي گسترده بر روي خوشهها، سطوح تكلايه و دولايه و كمپلكسهاي فلز - آب نشان دادند كه كتابخانه¬ي DFTB-AuOH با دقت بالايي ويژگيهاي ساختاري و انرژيايي اين سامانهها را بازتوليد كرده و رفتار ديناميكي آن نيز تطابق نزديكي با محاسبات DFT دارد. در ادامه و در بخش دوم اين پژوهش، پارامترسازي مشابهي براي سامانههاي O2H-Ag انجام شد و كتابخانه¬ي DFTB-AgOH معرفي گرديد. نتايج حاصل نشان دادند كه اين كتابخانه ضمن پيشبيني صحيح ساختارهاي پايدار و مكانهاي جذب مولكول آب بر روي سطوح نقره، در بسياري موارد عملكردي برتر نسبت به پارامترهاي پيشين (DFTB-HYB) ارائه ميدهد. در بخش سوم اين پژوهش، تمركز بر واكنش WGS بهعنوان يكي از فرايندهاي محوري در توليد هيدروژن و توسعهي حاملهاي انرژي تجديدپذير قرار گرفت. مطابق مكانيسم شناختهشدهي اين واكنش، تضعيف پيوند CO نخستين گام تعيينكننده در كاهش سد انرژي و تسهيل واكنش است. بر همين اساس، رويكردي نوين بر پايهي بهرهگيري از خاصيت دوسردندانهاي مولكول CO و تشكيل پل ايزوكربونيل با زوجهاي اكسيد فلزهاي واسطه و اسيدهاي لوويس دنبال شد. نتايج محاسباتي نشان دادند كه فلزهاي واسطه سنگين مانند Rh، Ir و Ni بههمراه اسيدهاي لوويس قوي گروه 13 مانند Al، Ga و In بيشترين توانايي را در انتقال بار به اوربيتال ضدپيوندي CO و افزايش طول پيوند آن دارند. در نهايت، زوجهايي مانند 3AlCl—CO—2O2Ni ، 3O2Ga—CO—O2Rh و 3O2B—CO—O2Rh بهعنوان تركيبهاي برتر در فعالسازي پيوند CO معرفي شدند.
چكيده انگليسي :
This thesis aims to develop computational methods and identify key factors for enhancing the efficiency of catalytic reactions and metal–water systems. In the first part, a novel parameterization for studying Au–H₂O systems was introduced, based on generating new pair parameters using the DFTB module in Materials Studio 2020. Extensive tests on clusters, monolayer and bilayer surfaces, and metal–water complexes showed that the DFTB-AuOH library accurately reproduces the structural and energetic characteristics of these systems, and its predicted dynamic behavior closely aligns with DFT calculations. Subsequently, in the second part of the thesis, a similar parameterization was performed for Ag–H₂O systems, leading to the introduction of the DFTB-AgOH library. The results demonstrated that this library correctly predicts stable structures and adsorption sites of water molecules on silver surfaces, while often outperforming previous parameter sets (DFTB-HYB). In the third part of the thesis, the focus was placed on the WGS reaction as a key process in hydrogen production and the development of high-efficiency renewable energy carriers. According to the known mechanism of this reaction, the weakening of the CO bond constitutes the critical first step for lowering the activation barrier and facilitating the reaction. Accordingly, a novel approach utilizing the bidentate nature of CO and the formation of a carboxyl-bridge (iso-carbonyl) complex with transition metal oxides and Lewis acids was pursued. Computational results showed that heavy transition metals such as Rh, Ir, and Ni, together with strong group 13 Lewis acids like Al, Ga, and In, exhibit the highest ability to transfer charge to the anti-bonding orbital of CO, significantly stretching and weakening the bond. Ultimately, pairs such as AlCl3—CO—Ni2O2, Ga2O3—CO—Rh2O, and B2O3—CO—Rh2O were identified as the most effective combinations for CO bond activation.