Exploring the chemical nature of super-heavy main-group elements by means of efficient plane-wave density-functional theory

文献情報

出版日 2019-06-15
DOI 10.1039/C9CP02455G
インパクトファクター 3.676
著者

Lukas Trombach, Sebastian Ehlert, Stefan Grimme, Peter Schwerdtfeger


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要旨

The design, implementation, and evaluation of a computationally efficient approach for exploring the chemical nature and bulk properties of the super-heavy main-group elements (SHEs) Cn–Og with nuclear charges of Z = 112–118 is described. The approach combines plane-wave density-functional theory (DFT) based on a newly devised set of projector-augmented wave potentials (PAWs) with the D3 dispersion correction, whose parameter-space is extended for this purpose. Regarding both, the fitting of the PAWs as well as the calculation of the D3 parameters, it is shown that the peculiar electronic structure of the SHEs with strong relativistic effects makes it necessary to adapt the well established computational protocols. Eventually, the methodology is tested employing various common functionals (PW91, PBE, PBE-D3, PBE0-D3, PBEsol and SCAN) by comparison to experimental and high-level results for the bulk of Cn and Og, as well as by calculating adsorption energies of Cn–Og on a gold surface and comparing these to the lighter congeners Hg–Rn as well as experimentally derived data. These tests establish that our approach provides a consistent and accurate description of the reactivity of the SHEs and is largely in excellent agreement with experimental and high-level references, and moreover underline the great relevance of dispersion interactions, as well the game-changing impact of spin–orbit coupling on SHE reactivity. Ultimately, the conducted calculations provide novel insights into the chemical behavior and nature of the SHEs, showcase the breakdown of periodic trends in the seventh period, and allow us to revisit and confirm an empirical relation between adsorption on gold and the cohesive energy.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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