Principles and Applications of Density Functional Theory in Inorganic Chemistry I pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Kaltsoyannis, Nikolas (EDT)/ Mcgrady, J. E. (EDT)

出品人:

页数:194

译者:

出版时间:

价格:149

装帧:HRD

isbn号码:9783540218609

丛书系列:

图书标签:

• Density Functional Theory
• Inorganic Chemistry
• Computational Chemistry
• Quantum Chemistry
• Electronic Structure
• Materials Science
• Chemical Bonding
• Molecular Modeling
• DFT
• Solid State Chemistry

现代无机化学的基石：基于密度泛函理论的无机化学原理与应用研究 （本书并非《Principles and Applications of Density Functional Theory in Inorganic Chemistry I》的延续或替代，而是对该领域更宏观、更全面的综述与拓展） 图书简介 本书旨在全面深入地探讨现代无机化学的核心理论框架——密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT），并阐释其在解析和预测复杂无机体系性质方面所展现出的强大威力。本书的视角超越了单一的DFT入门介绍，着重于如何将DFT方法论与无机化学的独特挑战（如过渡金属的电子结构、配位化合物的反应机理、固态材料的电子性质以及催化过程的动力学）进行有机结合。 本书结构精心设计，从理论基础的严谨构建，逐步过渡到前沿应用的广泛展示，力求为化学、材料科学、物理学及相关工程领域的学生、研究人员及专业人士提供一个既具深度又具广度的参考指南。 --- 第一部分：理论基础的深化与无机化学的视角重塑 本部分致力于为读者夯实DFT的理论基石，并特别强调这些理论工具如何精确地映射和描述无机化学体系的本质特征。 第一章：量子化学的演进与DFT的哲学基石 本章首先回顾了从薛定谔方程到 Hartree-Fock 方法的发展历程，并清晰界定了DFT相对于传统波函数方法的根本优势，尤其是在处理多电子体系时计算成本与精度之间的平衡。核心内容聚焦于 Hohenberg-Kohn 定理的深刻内涵，即电子密度而非波函数是系统基态性质的完整描述符。我们深入探讨了 Kohn-Sham 系统的构建，以及其引入的“交换关联泛函”的概念——这是DFT的灵魂所在，也是决定计算精度的关键因素。本章将侧重于解释为什么对于包含大量d/f电子的无机体系，准确的泛函选择至关重要。 第二章：泛函的层级分类与无机体系的精度校准 本章系统性地梳理了 Jacob’s Ladder（雅各布的天梯）理论，详细剖析了从 LDA（局域密度近似）到 GGA（广义梯度近似），再到 Meta-GGA，以及混合泛函（Hybrid Functionals）的演变。对于无机化学而言，关键挑战在于处理： 1. 自旋限制/非限制计算：过渡金属和稀土元素化合物中未成对电子的精确描述。 2. 色散校正（DFT-D）：范德华相互作用在弱相互作用体系（如分子晶体、吸附过程）中的作用。 3. 对电子激发态的处理：阐释 TD-DFT（时间依赖性DFT）在预测紫外-可见光谱、荧光性质及光化学反应中的应用局限与改进策略（如 $omega$B97X-D 等针对激发态优化的泛函）。 第三章：处理电子离域与强关联体系的挑战 无机化学，尤其是涉及块体氧化物、金属簇和低维材料时，常常面临强关联电子效应（Strongly Correlated Electron Effects）。本章探讨了标准DFT在处理这些体系时的固有缺陷（如电子自相互作用误差，Self-Interaction Error, SIE）。我们将重点介绍对 DFT 的扩展方法，包括： DFT+U 方法：如何通过引入一个对局域 $d$ 或 $f$ 轨道施加的有效势来修正电子结构，并讨论 $U$ 值的确定方法及其对能带结构和磁性的影响。 多参考波函数方法与DFT的耦合：探讨如何将 DFT 的效率与 CASSCF/MRCI 等方法的准确性结合，以解决高自旋-低自旋交叉点等复杂电子态问题。 --- 第二部分：应用聚焦——从分子到固体的前沿探索 本部分将理论工具直接应用于无机化学的核心研究领域，展示 DFT 预测和机理解析的实用性。 第四章：配位化学与过渡金属络合物的结构与电子性质 本章聚焦于过渡金属（如 Fe, Ru, Co, Pt 等）配合物的基态性质预测。内容涵盖： 几何优化与振动分析：精确预测键长、键角，并区分振动模式（IR/Raman 谱的计算预测）。 自旋态的精确判定：如何利用能量差或轨道占据分析来确定高/低自旋构型，这对理解磁性材料和催化活性至关重要。 光谱学性质的模拟：详细介绍计算 XANES/EXAFS（X射线吸收近边/扩展边结构）以验证实验结构，以及 Mössbauer 谱的模拟，这些是表征含铁或含锡无机体系的有力工具。 第五章：化学反应机理与过渡态的解析 理解无机反应的动力学需要精确地找到反应的过渡态（Transition State, TS）。本章论述了在无机合成和催化领域应用 DFT 模拟反应路径的方法： 势能面（Potential Energy Surface, PES）的构建：描述如何系统地搜索能量极小点（Reactants/Products）和鞍点（TS）。 反应活化能的计算：预测反应速率，并与实验数据进行对比。 重要无机反应案例分析：如氧化还原循环、配体交换反应、聚合反应中的关键中间体识别。重点讨论如何使用“限制性步进搜索”（Constrained Search）或“切线扫描”等技术来定位复杂的双金属中心或异相催化体系中的过渡态。 第六章：固态无机材料的电子结构与功能设计 DFT 是现代材料科学不可或缺的工具。本章探讨其在晶体结构预测、电子结构工程和材料功能化中的应用： 晶格参数与稳定性：计算晶胞参数、形成能和晶格动力学，预测材料的热力学稳定性。 能带结构与导电性：计算能带图，精确区分金属、半导体和绝缘体，并利用有效质量计算来预测电荷载流子输运特性。 缺陷工程：模拟晶体中空位、间隙原子或点缺陷对材料电子结构和光催化活性的影响，指导功能材料的设计。 第七章：异相催化与表面化学的界面研究 在多相催化领域，反应发生在固体表面，这要求理论计算必须准确描述界面电子转移。 表面模型构建：介绍使用 Slab 模型（薄片模型）来模拟不同晶面（如 (111), (100)）的原子排列和弛豫。 吸附位点的识别：确定反应物分子在催化剂表面最佳的吸附几何构型和吸附能。 遵循 Sabatier 原则：利用 DFT 计算的吸附能作为核心指标，预测催化剂的性能，并解析表面反应循环中的限速步骤。涉及的案例包括析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）的电催化剂设计。 --- 总结与展望 本书最后将对 DFT 在无机化学中的当前地位进行总结，并展望未来的发展方向，特别是机器学习与高通量计算（High-Throughput Screening）如何与 DFT 紧密结合，以加速新颖无机材料的发现过程。本书不仅是一本计算方法的教程，更是一部指导无机化学家利用现代量子工具解决实际科学问题的实战手册。

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