基于量子化学计算研究配位剂对锌-铁合金电沉积的影响

摘要

[目的]针对电镀Zn–Fe合金镀层耐蚀性提升的需求，通过量子化学计算研究四羟基己二酸、焦磷酸盐和羟基乙叉二膦酸（HEDP）3种常用配位剂与Fe²⁺的配位行为，揭示配位剂对电沉积过程及镀层性能的影响机制。[方法]采用密度泛函理论（DFT）及M06-2X泛函，在def2-SVP基组水平上优化3种铁配合物的几何构型；利用sobEDA方法定量分解配位键能量；通过HOMO-LUMO轨道分析计算能隙（ΔE）；结合IGMH（基于赫什菲尔德划分的独立梯度模型）和IRI（相互作用区域指示函数）方法可视化表征配合物内Fe─O之间的弱相互作用类型与强度。[结果]能量分解表明，3种配合物的配位键均以静电作用为主导，总相互作用能排序为：羟基乙叉二膦酸合铁<焦磷酸合铁<四羟基己二酸合铁，羟基乙叉二膦酸合铁的配位键最强。HOMO-LUMO分析显示焦磷酸合铁的能隙最大，表明其化学反应活性最低、动力学稳定性最高；四羟基己二酸合铁的能隙最小，反应活性最高。IGMH和IRI分析均表明，羟基乙叉二膦酸合铁中Fe─O间强吸引弱相互作用最强，但空间排斥作用也最显著。[结论]焦磷酸盐配合物兼具较高的稳定性和适中的配位强度，是调控Zn–Fe合金电沉积行为的优选配位剂。本研究可为Zn–Fe合金电镀配位剂的筛选及工艺参数优化提供理论依据。

关键词

电沉积 / 锌-铁合金 / 配位剂 / 量子化学计算 / 密度泛函理论 / 分子轨道