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高氯酸根及其离子对光谱指认的量子化学研究

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高氯酸根及其离子对光谱指认的量子化学研究

第30卷,第9期20l0年9月

光谱学与光谱分析

SpectroscopyandSpectralAnalysis

V01.30.No.9,pp2537—2540

September,2010

高氯酸根及其离子对光谱指认的量子化学研究

轩小朋,谢友海,赵

河南师范大学化学与环境科学学院,河南新乡453007

摘要利用红外和拉曼光谱研究了不同浓度下高氯酸锂在N,N-二甲基甲酰胺、乙腈、田氢呋喃、丙酮、二甲亚砜、乙酸甲酯等/fr机溶剂中的缔合情况,分析了高氯酸根们谱带的变化,指认r溶液中光谱自由离子、直接接触离子对和离子对二聚体。使用链子化学方法计算了不同结构直接接触离子对和离子对二聚体的稳定构型和光谱行为,并和实验值进行了比较,考察r溶剂化模型、溶剂分子对直接接触离子对或离子对二聚体结构的影响,探讨r量子化学方法指认离子对的町能性和正确性。

关键词高氯酸根;离子缔合;直接接触离子对;离子对二聚体;振动光谱中图分类号:0561.3

文献标识码:A

DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2010}09—2537-04

的可能性和正确性。

引言

锂离子电池液体电解质是由锂盐溶解在有机混合溶剂中

实验和量子化学计算部分

高氯酸锂(LiCl()4,分析纯),先用乙醇重结晶一次,然后于120℃干燥24h,再在170℃真空干燥36h。N,N_二甲基甲酰胺(DMF)、四氢畎喃(THF)、乙腈(AN)、丙酮(AC)、碳酸阿烯酯(PC)、乙酸甲酯(MA)和二甲亚砜(DMSO)均为商品化试剂.标准方法提纯后加入4A分子筛,存于盛有

P20s的保t二器中备用。

形成的,J£浓度常达1mol?L_1其至更高。在浓度如此高的电解质溶液中,必然存在着离子缔合现象。离子缔合会减少溶液中正、负离子的数日,增加溶液粘度,降低电导,改变溶剂化结构等,对电解质的性质有着显著的影响[1]。因此,从微观层次J:认识离子缔合的种类对于明确溶刺化Li+的传输机理具有重要的意义。

利用电导[引、粘度L3J和光谱[4-7]等方法均叮以获得离子对结构、缔合程度的直接或问接证据。例如,振动光谱技术可以通过阴离子谱带位置的变化确定溶液中离子的存在形式,通过相对强度的变化确定缔合程度的大小,是考察离子缔合的有效手段之一[44J。leattisti等【4j利用拉曼光谱对不同浓度LiCl(g/碳酸丙烯酯溶液进行r详细研究,发现Cl(F的特征谱带I叶{现r分裂,溶液中多种离子共存,较好地解释了溶液电导的变化规律。但这种方法(包括其他实验方法)不能明确离子对的构型等微观信息,无法进一步认识离子对形成的本质。而量子化学方法从基本假定人手,对于明确离子对的结构、离子对的形成对溶液性质的影响具有重要的意义,是上述实验方法有益的补充。

本文通过振动光谱技术研究r高浓度高氯酸锂溶液中的缔合情况,得到r不同缔合微粒所对应谱带的位置。在此基础上,采用密度泛函理论计算r不同结构的自由离子、直接接触离子对和离子对二聚体的能量和构型。分析了溶剂化模型等对其光谱行为的影响,探讨r量子化学方法指认离子对

收藕日期:2009一11—30。修订日期:2010-03-02

基金项目:国家自然科学肇金项日(20703014)和河南省杰出青年基金项目(074100510005)资助作者简介:轩小朋,1973年生,河南师范人学化学与环境科学学院副教授

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e-maihxuanxiaopengC圆126.COrll

红外和拉曼光谱的测最由NicoletNexus系列联用璎FTIR/Raman光谱仪完成。红外光谱使用ZnSe窗片的多次衰减全反射附件测定。拉曼光谱使用波长为1

064啪的Nd

:YAG激光器,在功率为300~700mw的条件下测定。二者的分辨率均为2cln一。鼍子化学计算使用Gaussian03软件【81进行。考虑到计算对象为含有正、负电荷的离子,部分体系使用了MP2方法进行验证。为r节约计算时间,离子对的结构采用对称性限制优化,然后再进行频率计算、零点能校正和光谱归属。对于频率计算的结果,除说明外一般也未校正。考虑溶剂效应时,使用连续极化模型(CPCM)【7J。实验和计算细节可参见文献[-63。

2结果与讨论

2.1离子对的光谱指认

自由的C104属n群,其Ⅵ对称伸缩振动谱带(931

2538

光谱学与光谱分析

第30卷

cnl-1)Raman强度大,是最佳研究对象,已被广泛应用于考察离子周围微环境的变化,指认或表征溶液中离子对的缔合【4’8]。作为例子,图l给出了不同浓度LiCl04/MA溶液的拉曼光谱。从图中可以看出,随着锂盐浓度的增加川谱带的强度逐渐增强,这足溶液中C104浓度增加的直接反映。同时,即使在最低锂盐研究浓度下(0.30mol?kg1),高波数一侧明硅有肩峰生成,肩峰的强度随锂盐浓度增加而增大。在本文研究的其他溶剂中均观测到了这种现象,只是高介电常数溶剂(如DMF,DMS()等)中出现肩峰的锂盐浓度栩对较大。此外,尽管”为红外非活性,但由于粒子问的相互作用和C107结构的改变,激活了该谱带f4],使其在红外光谱上也可以观测到(未示出)。

960940

920900

Raman

shifl/cm’1

№1

Ramanbandsofnmode

ofCl町

in

LiCl04/MA

solutions

920

900

Ramanshift/cm‘。

晦2

BandfittingfornRamanbandsofC10fin1tool?

kg-1LiCIO,/AN(bottom)andLICK),/MA(top)solu-

tions

利用曲线拟合技术对Ⅵ谱带进行了详细分析。图2是lmol?kg叫LiCl04/AN和LiCl04/MA溶液Ⅵ谱带的拟合情况。拟合表明,该浓度下可得到位置为908,931,938和944tclt'Tl-1的4个谱带。其中931crn一1谱带归属于溶液中光谱自

由的(简称自由的)C107,而938crn_1谱带归属于直接接触离子对(Li+C10;),944cfIl叫归属于离子二聚体([Li+

C107]2)[4一]。低波数的908咖。1谱带是由于费米共振效应

引起的C107的倍频峰[8J。由此可以看}HLiCl04在丙酮、乙腈、乙酸甲酯等溶剂巾发生了严重的离子缔合,存在着自由的CI(汀、直接接触离子对、离子对的二聚体等多种形式,溶液浓度影响着它们之间的相巨平衡。

2.2

Li十007光谱的量子化学计算

Li+C104离子对可能的结构有图3口~f所示的3种,其

中结构a是单齿配位结构(C3v点群);结构b为二齿配位结构(C2v点群);f则为另一C3v点群形式的.‘齿配位结构[“。其他形式的配位结构对称性较差,能黾高于这3种。计算结果显示,在相I|d基组下结构6的能量比C略低,而b和f的能量都远低于n。闪此稳定性的顺序是b>c>a。频率计算显示,在Li+CIO,离子对中结构b无虚频,a和c结构总有两个虚频,说明二齿配位的结构b为最稳定构型,这同MP2方法的研究结果是一致的[4]。这种二齿结构也是四面体阴离子离子对常见的相互作用方式[4“J…。在二齿配位的Li+C104结构中,Li+位于与其相连的两个()和c1构成的平面内,阴离子扭曲改变了原有的键长和键角,使u+与氧之问产生比结构a和f更强的相瓦作用,成为最稳定的结构。计算C10;的Ⅵ谱带位于805

crn

1(B3LYP/6-311G*),具有C2v结构的“+

C10;中该谱带位于765o-n~1,向低波数方向位移了40ctTt~,与实验得到的向高波数方向位移7a2-ft_1相比,变化方向相反,这同Klassen等【40的计算结果相似。显然,气态下的离子对光谱计算的结果与实际情况相差很大,更准确的计算必须考虑溶剂效应。

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×。

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∥11.

(g)Fig.3

Possiblestructures

of

Li+C107

and

ELi十CIOf]zionpairs

溶剂效应可以通过多种溶剂模型来模拟,这里我们使用连续极化模硝CPCM进行研究。在B3LYP/6—311+G*水平下计算了CI(耳和Li+C104在DMSO,AN,AC和THF

种不同介电常数溶剂中的结构和光谱行为。计算结果显示,4种溶剂中CIO;的Cl~()键长明5iI变短,分别为0.144

33,

0.14435,0.144

37和0.144

36

nrn,明显小于气态下的

第9期光谱学与光谱分析

nrfl。光谱上,自由的CIOg的纠谱带的位置均在

2539

0.14917

光谱实验证明I.iCl04在低介电常数溶剂的溶液中有直接接触离子对的二聚体ELi+CI(i]。生成。Petrucci等的介电常数研究也证明了I。iCl04/PE0【m1和LiCl04/碳酸二甲酯【111等溶液中存在着离子对的二聚体。根据介电常数的变化。他们认为离子对的二聚体足以中心对称的形式存在的。基于此,设计了3种ELi+C104]:的结构形式(图39~i),并进行了能展、结构和光谱计算。结构g巾“+分别与两个Cl()『中的氧原子相互作用,属于D2n点群。这种结构是Chabanel等【8一研究LiCl04在溶液中的缔合时提ff{的。结构h中Li+同时与2个C1(订中的3个氧原子相互作用,属于G“点群。结构c显然足两个具有Qv对称性的Li+CIO;的组合。也属于C2“点群。不同计算方法表明,无论是在气态还是溶液中(如AN),这3种结构的能量顺序总是i<^<譬。一般情况下结构h和i的能营相差不大(<0.05Hartree),但均比结构g的能最低大约0.2Hartree。频率计算的结果与能最顺序完全一致:结构i和h都是势能面上的极小值点,结构g一般具有3~4个虚频。结构h中Cl一()对称伸缩振动谱带位于812crn‘1处。结构i中位于787cln叫处。相对于气态下汽接接触离子对的C1—0对称伸缩振动谱带向高波数位移了36和21cln~,正确地预测了实验的变化趋势。

当以AN为溶剂考虑溶剂化效应时,结构h能肇最低,比结构i低大约0.02Hartree。同时,结构h无虚频,结构i有一个虚频。综合考虑,此时Li+与高氯酸根的相互作用为双配和单两0的混合形式。此结构中Cl—o对称伸缩振动位于

818

CITI

817咖~,比气态结构下更接近于实验值。对于Li+C10i-,

由于溶剂的影响图3中结构Ⅱ~c的均为不稳定结构,具有1~3个虚频。将结构b降低对称性形成属于c?和G点群的二齿配位后为稳定结构。能量分析可以看出。这2种结构的能艟相差非常小。Li+CI()『离子对在DM文)中具有C。点群的二齿配位为最稳定结构,而在AN,AC和THF溶剂中对称性最若的二齿配位(C,点群)最稳定。由此叮以看出。当考虑溶剂化模型时,高对称性离子对的结构往往具有较高的能量,一般是口>f>6;而低对称性的结构反而具有较低的能量。至于哪种结构只.有最低能量,与溶剂的种类或溶剂化结构有关。气态下计算的离子对和自由离子的Yl谱带位移的方向与实验结果相反,考虑溶剂化模型时这种差距显著减小。例如,丙酮溶液中自由离子的Ⅵ在819crTl叫处,而在最低能量Li+Cl(K离子对中该谱带位于791crn~,位移了28crn~。尽管与实验值相差较大,但与气态的计算结果(40

咖_1)相比有明砬的改善。此外,计算还发现在不同溶剂中

的该谱带的位置几乎相同,可以认为与溶剂的种类尤关,这一特性与实验是一致的。

从上述分析nr以看出,即使考虑了溶剂化模型。离子对的光谱变化与实验结果仍有差距。究其原冈除r溶剂化模型本身的误差外,还应与溶液中离子一分子问复杂的相互作用有关。例如溶液中阳离子叮能先与一个或数个溶剂分子作用,然后再与阴离子结合成直接接触离子对。选择最简单的线性分子AN作为代表与Li+Cl(订构建r3种超分子结构进行r计算。圈3d,-一e中结构d。e和厂巾的锂离子分别按照单、双和‘齿配位的构犁与阴离子相连,然后再与AN卜的氮原子相瓦作用,形成具有C3v,G和c3v点群的相互作用构型,它们仍属于茂接接触离子对。我们利用两种方法(HF/6—311+G。和B3LYP/6—311+G‘)分别计算了AN-Li+ClO;的能量、结构和光谱行为。这些离子对的能鼍一般都遵循e

1处,与溶液|f1接触离子对的792crn。相比向高波数

位移了16个波数,与实验测定变化方向相同,接近于测定值。

3结论

利用红外和抟曼光谱方法考察了不同介电常数溶剂中高

<代d,说明从能墙j:考虑纺构e最稳定。光谱计算表明结

构厂和d一般具有2和3个虚频,而结构P全部为正值,是势能面卜的极小点。结构e中锂离子仍以二齿形式与高氯酸根相t作用,与结构b类似。构建的超分子结构中C卜-o对称伸缩振动谱带的位置较气态模型又自.明显的改善。例如,HF/6—311+G’方法计算的AN-Li+ClOf的Cl一0对称伸缩振动位于937cn'l~,与实验结果完伞相同;B3I,YP/6—311+G‘计算的位于779cnl~,较简单的自由离子模型向高波数位移13个波数。基本接近实验值。显然,构建的这种超分子结构比简单的离子对结构更能反映离子对的本质。

2.3

氯酸锂缔合情况,其中931咖.1谱带归属于溶液中光谱自由

的CI(耳,938CITI“谱带归属于茂接接触离子对(Li+C104),

944

cin-1归属于离子对的二聚体(ELi+CIOg]2)。嚣子化学

计算显示在不ful种类的离子缔合形式中,二】}j亍配位通常是最稳定的构型。利用光谱方法指认离子对的缔合形式初步可行。可IF确预测实验测定的离子对二聚体、汽接接触离子对的位置变化顺序,但对自由离子位置变化仍有偏差。考虑溶剂化模型或溶剂分子的影响后,计算结果有较大程度的改善,预测cl一()对称伸缩振动谱带的位置与实验大致相旧。

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AbinitioCalculationsofVibrationalFrequenciesandStructuresofIonPairsofPerchIorate

XUANXiao-peng,XIEYou-hai,ZHAOYang

SchoolofChemicalandEnvironmentalSciences,HenanNormalUniversity,Xinxiang453007,ChinaAhstraetIonassociationofsolutionsoflithiumperchlorateinN,N-dimethylformamide,acetonitrile,tetrahydrofuran,acetone,

organicsolventshavebeen

aremethylacetateandotherinvestigatedbyin/raredandRal"nanspectroscopy.respectively.nlespectro—curvescopicallyfreeion,contactionpairanddimer

contactionpairsfingerprintbythewerefittingofⅥbandof.Themoststablegeometriesofanddimmer,andthevibrationalfrequencies

calculatedandexperimentaldataoptimizedandcalculatedusingtheabinitiomethods.Thecomparison

onbetweenofbandpositionwasmade.EffectofsolvationmodeandsolventmoleculethevibrationalfrequenciesofionpairswasalsoindicatecL

KeywordsPerchlorate;Ionassociation;Contactionpair;Dimer;Vibrationalspectroscopy

(ReceivedNov.30,2009;accepted

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Mar.2,2010)

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