Adsorption von SF6-Zersetzungsprodukten auf ZnO-modifiziertem C3N:Eine theoretische Studie

Einführung

Mit der rasanten Entwicklung der Nanotechnologie nimmt in den letzten Jahren die Anwendung von Sensoren auf Basis neuartiger Nanomaterialien zu. Aufgrund seiner schnellen Reaktion, seines geringen Verbrauchs, seiner geringen Kosten und seiner hohen Empfindlichkeit wurde der Nanosensor ausschließlich auf dem Gebiet der Medizin, des Militärs, der Gasdetektion und der Umgebungsüberwachung untersucht [1,2,3,4]. Der Widerstandssensor, als einer der am häufigsten verwendeten Sensoren, wird von Wissenschaftlern aufgrund seiner einfachen Struktur und seines Wirkungsmechanismus bevorzugt. Im frühen Stadium ist Graphen ein attraktives Material für die Gasdetektion aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften auf physikalischer und chemischer Ebene, wie z. B. große spezifische Oberfläche, hohe Trägermobilität und günstige Wärmeleitfähigkeit [5,6,7,8]. Allerdings ist das Graphen bei der Anwendung der Gaserkennung aufgrund seiner Null-Bandlücken-Charakteristik eingeschränkt [9, 10] und schneidet bei der Identifizierung üblicher Gase wie CO, CO₂ . ungenügend ab , CH₄ , N₂ , NEIN₂ , NH₃ , H₂ , und H₂ O [11]. Danach sind mit gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaftlern zahlreiche neue Nanomaterialien mit den gleichen Eigenschaften wie Graphen, aber ohne Bandlücke von Null auf dem Gebiet der Gassensorik entstanden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) [12,13,14 ], Metallcarbide und -nitride [15], geschichtete Halbleiter der Gruppe III-VI [16, 17] und Nitride der Gruppe III-V [18, 19, 20].

Unter den neu entstandenen graphenähnlichen Materialien ist C₃ N wird durch die direkte Pyrolyse von Hexaaminobenzoltrihydrochlorid-Einkristallen oder die Polymerisation von 2, 3-Diaminophenazin [21, 22] synthetisiert, das als Gasadsorbens große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat [23, 24, 25]. Die C₃ N ist intrinsisch ein indirekter Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,39 eV, der durch die Herstellung von Quantenpunkten mit unterschiedlichen Durchmessern abgestimmt werden kann [22]. In Mikrodarstellung, C₃ N kann als eine 2 × 2-Graphen-Superzelle betrachtet werden, die durch zwei Stickstoffatome substituiert ist und ein planares Wabengitter mit sechs Kohlenstoffatomen und zwei Stickstoffatomen besitzt. Durch die hinzugefügten N-Atome wird das intrinsische C₃ N zeigt eine stärkere chemische Aktivität und eine höhere Trägermobilität, behält aber im Vergleich zu Graphen eine ähnliche strukturelle Stabilität, wodurch das C₃ N-Monoschicht ein kompetitiver Kandidat für die Gasdetektion [26]. In Bezug auf die Adsorptionsfähigkeit haben Forscher bewiesen, dass das intrinsische C₃ N hat eine ausgezeichnete Selektivität und Empfindlichkeit [27] beim Nachweis von NO₂ und SO₂ , während bei anderen Gasen kein offensichtlicher Adsorptionseffekt auftritt. Dennoch zeigt die Forschung, dass die Oberflächenreaktivität von C₃ N konnte durch die Modifizierung von Störstellenpartikeln stark gefördert werden. Pashangpour und Peyghan [28] führten beispielsweise ein vergleichendes Experiment zur CO-Adsorptionsfähigkeit von intrinsischem und dotiertem C₃ . durch N-Nanoblatt; ihre Ergebnisse veranschaulichen, dass Al-Dotierungsmittel eine viel stärkere Bindungswechselwirkung bewirken können als das reine C₃ N. Später untersuchte Zargham Bagheri [29] theoretisch Si-dotiertes C₃ N für die Adsorption von Aceton, und es wird festgestellt, dass durch Ersetzen eines C-Atoms durch ein Si-Atom die Adsorptionsenergie von − 9,7 auf − 67,4 kcal/mol ansteigen kann und die Empfindlichkeit steigt, wenn mehr C-Atome substituiert werden.

Metalloxid ist eine häufig verwendete Alternative bei der Oberflächenmodifizierung, um die chemische Reaktivität für Gaswechselwirkungen zu erhöhen. Als einer der Metalloxid-Halbleiter hat ZnO eine Bandlücke von etwa 3,37 eV mit einer anregenden Bindungsenergie von etwa 60 meV, chemischer Stabilität, ausgezeichneten photokatalytischen Eigenschaften und hoher Aktivität gegenüber einigen spezifizierten Gasen [30]. Gemäß Lit. [31] kann ZnO in 0-dimensionalen (0D), 1-dimensionalen (1D) und 2-dimensionalen (2D) Nanostrukturmorphologien wachsen, wobei Beispiele für jede Klasse Nanocluster, Nanodrähte/Nanoröhren und Nanoblätter umfassen. Nanobänder bzw. Angesichts der Eigenschaft einer leicht kontrollierbaren Größe und Morphologie [32, 33] ist ZnO-Nanopartikel ein vielversprechendes Material, um als Dotierstoff die Sensorleistung von Nanooberflächen zu verbessern [34, 35, 36]. Kürzlich haben einige Wissenschaftler theoretische Studien zur Verbesserung der Oberflächenaktivität von Nanomaterialien durch die Verwendung eines Einzelmolekül-Metalloxid-Dotierungsmittels vorgeschlagen. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] untersuchten die Adsorptionsfähigkeit von Cu- und CuO-dekoriertem Graphen an H₂ S theoretisch und stellte fest, dass sich die Leitfähigkeit des modifizierten Graphens im Vergleich zu intrinsischem Graphen nach der Adsorption von H₂ . signifikant änderte S. Asadi und Vaezzadeh [38] entwickelten ein B- und CuO-dekoriertes Graphenblatt zum Nachweis von H₂ S und CO basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die Simulation in dieser Arbeit wurde durch DFT durchgeführt und seine Computercodes erweitern periodisch die atomare oder molekulare Struktur basierend auf der definierten Superzelle und berechnen dann die physikalischen Eigenschaften des gesamten Systems. Basierend auf dieser Methode wird die Adsorption eines Atoms oder Moleküls auf dem Substrat als Sensor genutzt, um Nanostrukturen zu untersuchen. Die vorstehenden Berichte regen uns an, verwandte und weitere Forschungen zu diesem Thema über die Dotierung von einzelnen Metalloxidmolekülen durchzuführen; hier haben wir C₃ . dotiert N mit ZnO-Molekül anstelle von ZnO-Nanopartikeln als Vereinfachung zur Untersuchung der Wirkung von ZnO auf die Gassensorik.

SF₆ ist ein weit verbreitetes Medium in gasisolierten Schaltanlagen (GIS) mit herausragenden isolierenden und lichtbogenlöschenden Eigenschaften [39]. Die unvermeidlichen inneren Defekte, wie Teilentladungen (PD) in GIS, zersetzen SF₆ zu einigen fluoridarmen Sulfiden wie SF₄ , SF₃ , und SF₂ [40]. Diese Nebenprodukte würden weiter mit Spuren von Feuchtigkeit und Sauerstoff reagieren und einige stabile Chemikalien wie H₂ . erzeugen S, SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ [41]. Die Isolierzuverlässigkeit dieser Nebenprodukte ist viel geringer als bei SF₆ und ihre Existenz wird die PD-Entwicklung beschleunigen, wenn sie in Ruhe gelassen wird. Um den sicheren Betrieb von GIS zu gewährleisten, ist es daher unabdingbar, diese Gase zu erkennen oder wegzuspülen. In dieser Arbeit haben wir ZnO als Dotierstoff gewählt und das Modell von ZnO-modifiziertem C₃ . gebaut N (ZnO-C₃ N) Monoschicht zur Untersuchung ihrer Adsorptionsleistung an typischem SF₆ zersetzte Spezies (H₂ S, SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ ) theoretisch. Durch Analyse der Strukturänderungen, des Elektronentransferverhaltens, der Bandstruktur und der Zustandsdichte (DOS) wird der Einfluss des ZnO-Dotierungsmittels auf die Wechselwirkung zwischen den C₃ N-Oberflächen- und Gasmoleküle wurden umfassend untersucht. Der Zweck unserer Arbeit ist es, detaillierte Adsorptions- und Sensormechanismen von ZnO-C₃ . aufzuzeigen N-Monoschicht für potenzielle Anwendung zum Erkennen oder Abfangen von Fremdgasen im SF₆ Isoliergeräte.

Rechentechnische Details

Alle Berechnungen basierend auf DFT wurden in Dmol ³ . durchgeführt Paket [42]. Um die ungleichmäßige Elektronendichte realistischer Systeme besser beschreiben zu können, haben wir die generalisierte Gradienten-Approximation (GGA [43]) innerhalb der Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)-Funktion und die Dispersionskorrektur von TS verwendet, um das Elektron . zu behandeln Austauschkorrelationsterme [44, 45]. Die DFT Semi-Core Pseudopots (DSSP) wurden für die Kernbehandlung induziert und die doppelte numerische Basis mit Polarisation (DNP) wurde als Atomorbitalbasissatz gewählt [46]. Mönchhorst-Pack k -Punkte von 6 × 6 × 1-Netzen wurden sowohl in der geometrischen Optimierung als auch in der Berechnung der elektronischen Struktur definiert [47]. Die Energiekonvergenztoleranz, die maximale Kraft und die maximale Verschiebung bei der geometrischen Optimierung wurden jeweils als 1,0 × 10 ^–5 . festgelegt Ha, 0,002 Ha/Å und 0,005 Å [48]. Außerdem wurden die Monoschicht und ihr benachbartes Bild durch einen Vakuumabstand von 15 Å getrennt, um eine Wechselwirkung zwischen ihnen zu vermeiden.

Wie in Abb. 1 dargestellt, ist die 2 × 2 × 1-Superzelle von C₃ Die N-Monoschicht und die Gasmoleküle wurden vor dem Dotierungs- und Adsorptionsprozess aufgebaut und optimiert. Die C-N-Bindung (1.422 Å) in der optimierten Monoschicht ist aufgrund des größeren Radius des N-Atoms im Vergleich zum C-Atom etwas länger als die C-C-Bindung (1.418 Å). Die in dieser Arbeit erhaltene Gitterkonstante beträgt 4.92 Å, ähnlich den berichteten Ergebnissen in Lit. [25, 49]. Wir haben den Ladungstransfer zwischen Molekül und Monoschicht durch Hirshfeld-Analyse berechnet und Q . definiert _T um die Ladungsänderung im Gasmolekül darzustellen. Ein positives Q _T gibt das elektronenfreisetzende Verhalten des Gasmoleküls an. Im Gegensatz dazu deutet es auf das Elektronenaufnahmeverhalten des Gasmoleküls hin.

Optimierte Struktur von C₃ N-Monoschicht, H₂ S, SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂

Ergebnisse und Diskussion

Analyse von ZnO-modifiziertem C₃ N Monoschicht

Nach geometrischer Optimierung wurde das ZnO auf der Oberfläche von C₃ . platziert N-Monoschicht in verschiedenen Orientierungen und Positionen, um die sinnvollste Konfiguration von ZnO-C₃ . zu erkunden N. Gemäß Abb. 2a nähert sich das ZnO-Partikel C₃ N-Monoschicht durch die Vertikale (O₁ , O₂ ) und parallel (O₃ ) Orientierungen zur Ebene an der Position des Zentrums der hexagonalen Struktur (P_H1 , P_H2 ), der Mittelpunkt der C-C- und C-N-Bindungen (P_B1 , P_B2 ) und direkt über dem C-Atom (P_C ) und N-Atom. Wir haben die Formationsenergie (E _Formular ) zur Bewertung der Stabilität von ZnO-C₃ N-Monoschicht, berechnet wie folgt:

a Die sich nähernden Positionen und Orientierungen des ZnO-Moleküls. b Die stabilste Konfiguration von ZnO-C₃ N

wo E _ZnO und \({E}_{{\textrm{C}}_3\textrm{N}}\) sind die Energie des ZnO-Moleküls und C₃ N-Monoschicht vor der Dotierung, und \({E}_{\textrm{ZnO}-{\textrm{C}}_3\textrm{N}}\) ist die Energie von ZnO-C₃ N-Struktur. Wenn die Nahbereichs-"Bindung" zwischen Atomen in der erweiterten Atomstruktur auftritt, wird die Gesamtenergie reduziert und führt zu einem negativen E _Formular [50]; die Struktur mit dem größten E _Formular wird zur Adsorption und weiteren Analyse ausgewählt.

Alle Konfigurationen von ZnO-C₃ N-Monoschichten sind in Abbildung S1, S2, S3 dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die meisten Strukturen mit großem E _Formular sind in O₂ Orientierung und das ZnO-Partikel nähert sich bevorzugt dem C₃ N-Oberfläche durch O-orientierte Position und gefangen von einem C-Atom. Darüber hinaus ist jeder Änderungsprozess in dieser Studie spontan, da das E _Formular ist negativ und das Maximum E _Formular erhält man, indem man das ZnO-Partikel bei S_C . platziert in O₂ Orientierung. Wie in Abb. 2b zu sehen ist, hängt das zweiatomige Molekül an C₃ N mit einer Neigung von 40°. Die Zn-O-Bindung wird von 1.733 auf 2.182 verlängert und die C-O-Bindung wird mit 1.338 gemessen. Unter der Wirkung von ZnO wird die Oberfläche von C₃ N ist nicht mehr flach, sondern es tritt eine gewisse Verzerrung auf, und währenddessen wird das C-Atom, das dem O-Atom am nächsten ist, aus der Oberfläche gezogen. Zur weiteren Diskussion des elektronischen Verhaltens von ZnO-C₃ N-Monoschicht, Deformationsladungsdichte (DCD) und Zustandsdichte (DOS) sind in Abb. 3 dargestellt. In Abb. 3a entspricht der rote Bereich einer Zunahme der Ladungsdichte und die Abnahme ist in Blau dargestellt. Wenn das ZnO-Molekül adsorbiert wird, extrahiert es 0,255 e aus dem C₃ Eine N-Monoschicht und ein deutlicher roter Bereich sind um das O-Atom herum zu erkennen. Während das Zn-Atom von einem blauen Bereich umgeben ist, der den Unterschied in der Elektronegativität zwischen O-Atom und Zn-Atom anzeigt. Darüber hinaus deutet die signifikante Erhöhung der Ladungsdichte zwischen O- und C-Atom auf die Bildung einer C-O-Bindung hin, die auch durch die intensive Hybridisierung zwischen den Zuständen des O 2p-Orbitals und dem des C 2p-Orbitals gestützt werden kann, wie in Abb. 3c gezeigt. Aus der DOS-Kurve in Abb. 3b ist ersichtlich, dass die Einführung von ZnO zu einer Erhöhung der systemischen DOS und dem Auftreten mehrerer neuer Peaks führt. Es ist zu erkennen, dass die neu entstandenen kleinen Peaks vom O-Atom bei etwa − 2.5 eV beigesteuert werden und der größte bei − 5.6 eV offensichtlich vom Zn-3d-Orbital herrührt. Die Änderungen der DOS und die Hybridisierung zwischen Orbitalen bestätigten die Tatsache, dass die ZnO-Partikel fest an der Oberfläche von C₃ . adsorbiert sind N und hatte großen Einfluss auf die elektronische Struktur des gesamten Systems.

a DCD und b , c DOS und PDOS von ZnO-C₃ N Monoschicht

Adsorptionsverhalten von ZnO-C₃ N Monoschicht

Um die möglichen Adsorptionsparameter vollständig zu vergleichen und die gewünschte Konfiguration für die Analyse auszuwählen, platzieren wir jedes Gasmolekül über der Oberfläche von ZnO-C₃ N-Monoschicht in verschiedenen Orientierungen. Zum Beispiel für dreiatomige Moleküle, nämlich H₂ S und SO₂ , machten wir die Ebene aus den drei Atomen parallel oder senkrecht zur Oberfläche mit dem S-Atom nach oben oder unten. Die Adsorptionsenergie (E _Werbung ) wird verwendet, um die Energieänderungen verschiedener Adsorptionsstrukturen zu beschreiben und berechnet als

wo E _Gas und \({E}_{\textrm{ZnO}-{\textrm{C}}_3\textrm{N}}\) sind die Energie des isolierten Gasmoleküls und des ZnO-C₃ N-Monoschicht vor der Adsorption, \({E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}/\mathrm{Gas}}\) repräsentiert die Energie des Systems mit adsorbiertem Gas. Nachdem die lokale minimale Gesamtenergie jeder Situation erhalten wurde, wird nur die Struktur mit dem maximalen E _Anzeigen wurde für die weitere Diskussion ausgewählt, wie in Abb. 4 angegeben, und die Elektronendichtedifferenz (EDD) ist in Abb. 5 dargestellt, um den Ladungstransfermechanismus besser zu verstehen.

Die Adsorptionskonfiguration von a H₂ S-System, b SO₂ System, c SOF₂ System und d SO₂ F₂ System

Die EDD von a H₂ S-System, b SO₂ System, c SOF₂ System und d SO₂ F₂ System

Die H₂ Das S-Adsorptionssystem ist in Fig. 4a angegeben, wobei H₂ S-Molekül wird in paralleler Position und dem nächsten Atomabstand zwischen H₂ . adsorbiert Molekül (H-Atom) und ZnO-Dotierstoff (O-Atom) wird als 2,042 gemessen. Die H-S-Bindung des gefangenen H-Atoms ist im Vergleich zu 1.357 im isolierten Zustand auf 1.374 verlängert, während die andere H-S-Bindung während des Adsorptionsprozesses unverändert bleibt. Die leichte Verformung der Geometriekonfiguration deutet auf die Wechselwirkung zwischen H₂ S-Molekül und ZnO-C₃ Die N-Monoschicht ist schwach. Kombiniert mit dem E _Anzeigen (− 0.444 eV) und Q _T (− 0.077 e), ist klar, dass H₂ S-Molekül kann nicht stabil an ZnO-C₃ . haften N-Monoschicht; wir nehmen an, dass ZnO-C₃ N-Monoschicht ist zum Nachweis von H₂ . ungeeignet S. Für die SO₂ -Molekül, das in Abb. 4b gezeigt ist, werden beide O-Atome von einem Zn-Atom im Abstand von 2.020 bzw. 2.031 eingefangen. Das ZnO-Partikel biegt sich näher an die Oberfläche und der von Zn-O-C gebildete Winkel wird aufgrund der Anwesenheit von SO₂ . von 129 auf 118° reduziert . Gleichzeitig finden wir aus der Hirshfeld-Analyse, dass das S-Atom als Elektronendonator mit einem Verlust von 0.164 e wirkt und seine Adsorptionswirkung an O-Atomen abgeschwächt ist, was zu einer Verlängerung der SO-Bindungen von 1.481 auf 1.619 Å führt [ 51]. Umgekehrt hat die verstärkte interatomare Kraft aufgrund des Elektronenzuwachses (0.292 e) im O-Atom von ZnO die Zn-O-Bindung von 2.182 auf 1.869 verkürzt. Abgesehen von den geometrischen Variationen und dem Elektronentransfer ist das E _Anzeigen bis zu − 1.222 eV ist ein weiterer Beweis für eine starke Wechselwirkung während des Adsorptionsprozesses, was auf eine mögliche Anwendung von ZnO-C₃ . hinweist N-Monoschicht beim Nachweis von SO₂ . Was die SOF₂ betrifft und SO₂ F₂ Adsorptionssystem, das in Fig. 4c und d gezeigt ist, ist ersichtlich, dass die Zielmoleküle eine dramatische Veränderung in der Morphologie erfahren haben. Das F-Atom in SOF₂ hebt die Beschränkung der S-F-Bindung auf und wird vom Zn-Atom in einem Abstand von 1.830  Å adsorbiert. Eine noch drastischere Veränderung ist bei SO₂ . zu beobachten F₂ wobei beide S-F-Bindungen brachen und Zn-F-Bindungen mit den Längen 1.802 und 1.883 bildeten. Neben der Bildung der Zn-F-Bindung ist die verbleibende SOF-Gruppe in SOF₂ Das System wird auch vom Zn-Atom durch die Zn-O-Bindung eingefangen. Aber im Fall von SO₂ F₂ System ist es interessant festzustellen, dass die SO₂ durch die Zersetzung von SO₂ . erzeugte Gruppe F₂ wird nicht eingefangen, hält aber Abstand zum Zn-Atom und berechnet mit seinen S-O-Bindungen das gleiche wie isoliertes SO₂ in der Länge. Die starke Deformation von Gasmolekülen ist mit dem großen E . verbunden _Anzeigen berechnet bis zu − 1.683 eV in SOF₂ System und − 3,497 eV in SO₂ F₂ System. Darauf basierend ist die Adsorption von SOF₂ und SO₂ F₂ auf ZnO-C₃ N kann als starke Chemisorption, begleitet von einem großen Ladungstransfer in diesem Prozess, bestimmt werden, was auf die mögliche Existenz einer signifikanten Elektronenorbitalhybridisierung hinweist. Mit dem großen E _Anzeigen und Q _T , ZnO-C₃ N-Monoschicht kann eine stabilere Adsorption an SO₂ . bieten , SOF₂ , und SO₂ F₂ als andere Nanomaterialien, wie in Tabelle 1 aufgeführt, die Adsorptionskonfiguration von ZnO-C₃ Die N-Monoschicht ist um 0,358–3,281 eV und 0,038–0,811 e größer als die aufgeführten Nanomaterialien, was die Adsorptionsleistung dieses Materials bei der Verwendung in der Gasdetektion sicherstellt, während wir spekulieren, dass es für diese Gasmoleküle (SO₂ , SOF₂ und SO₂ F₂ ), um die starke Wechselwirkungskraft als Folge der großen E_Werbung . loszuwerden . Um die durch Sensorvergiftung verursachte Leistungsverschlechterung zu verhindern, sollten daher Maßnahmen wie Hochtemperaturglühen oder ultraviolette Strahlung ergriffen werden, um die Desorptionsleistung des ZnO-C₃ . zu verbessern N-Monoschicht. Die spezifische Desorptionsleistungsanalyse wird im Abschnitt "Gassensorleistungsbewertung" bereitgestellt.

In Bezug auf die in Fig. 5 gezeigte EDD zeigt der blaue Teil den Elektronenansammlungsbereich an und der andere Teil in Violett ist der Elektronenverarmungsbereich. Für H₂ S-System befindet sich eine kleine Akkumulationsregion zwischen dem H-Atom und dem O-Atom, während sich die meisten Akkumulations- und Verarmungsregionen um das H₂ . herum befinden S-Molekül, was auf einen kleinen Ladungstransfer und die Umverteilung von Molekülorbitalen in H₂ . hinweist S-Molekül. Im SO₂ Adsorptionssystem, gibt es offensichtliche Verarmungsbereiche, die das S-Atom und das Zn-Atom umgeben, während die Akkumulationsbereiche hauptsächlich um O-Atome und über dem S-Atom verteilt sind. Dieses Phänomen bestätigt die Elektronenempfängerrolle von SO₂ Molekül, in Übereinstimmung mit dem Q _T (− 0.426 e) erhalten aus Hirshfeld-Analyse. In SOF₂ und SO₂ F₂ Aufgrund der großen Ansammlungs- und Verarmungsbereiche gibt es in beiden Systemen bemerkenswerte Ladungstransfers und Elektronenhybridisierung. Die Akkumulationsregionen sind unter den Atomen des Zielgases verteilt, während die Verarmungsregionen hauptsächlich um das Zn-Atom herum lokalisiert sind, was die ausgeprägte elektronenspendende Eigenschaft des Zn-Atoms widerspiegelt. Infolgedessen gehen diese elektronischen Verhaltensweisen davon aus, dass das ZnO-C₃ Die N-Monoschicht hat eine starke Adsorption an die Gasmoleküle, die überzeugender ist.

Elektronische Eigenschaften von ZnO-C₃ N-Monoschicht auf Gasadsorption

Wie in Graphen-[56], SWCNT-[57] und MoSe₂ . beschrieben - [58] basierend auf Gassensorforschung ist DOS ein weiterer wichtiger Parameter bei der Untersuchung des elektronischen Verhaltens zwischen Gasen und Nanostruktur. In Abb. 6a ist zu sehen, dass die Umverteilung der Molekülorbitale in H₂ S stimmt mit der aus der EDD in Fig. 5a abgeleiteten Schlussfolgerung überein. Die Hybridisierung zwischen den H 1s - und O 2p -Orbitalen ist in der Nähe von − 4 und − 6 eV verfügbar, jedoch in geringem Ausmaß, was die schwache Wechselwirkung und die geringe Möglichkeit der Bildung einer neuen H-O-Bindung demonstriert. Zum SO₂ System in Abb. 6c bewegt sich das antibindende Orbital leicht in die Nähe des Fermi-Niveaus und ein Teil der Orbitale wandelt sich von der Trennung in die Verbindung um, was die scheinbare Umverteilung der elektronischen Struktur in SO₂ . manifestiert Molekül. Für die Wechselwirkung zwischen den Atomen in Abb. 6d findet man die O 2p-, Zn 4s- und Zn 3d-Orbitale hybridisiert auf mehreren Energieniveaus wie − 6, − 4 und − 2 eV. Die Hybridisierung bedeutet die starke chemische Wechselwirkung zwischen O-Atom und Zn-Atom und unterstützt effektiv die Bildung der Zn-O-Bindung, wie in der optimierten Struktur berechnet. Im SO₂ F und SO₂ F₂ Aufgrund der dramatischen Strukturverformung werden die Molekülorbitale stark aktiviert und mit vielen neu gebildeten Orbitalen neu verteilt. Die F 2p- und O 2p-Orbitale in SOF₂ sind intensiv mit den Zn-4s- und 3d-Orbitalen bei − 8, − 7 und + 3 eV hybridisiert. Die Hybridisierung zwischen F-Atomen und Zn-Atomen kann in der Nähe von − 7, − 5 und + 3.5 eV identifiziert werden. Die scheinbare Hybridisierung zwischen dem Zn-Atom und den gefangenen F, O-Atomen ist der Beweis für die Bildung stabiler chemischer Bindungen, nämlich der Zn-F- und Zn-O-Bindungen, was eine Erklärung für den starken Adsorptionseffekt zwischen ZnO-C<. sein kann sub>3 N-Monoschicht und die beiden Gase. Kombiniert mit den Ergebnissen von vier Adsorptionssystemen, außer H₂ S-Molekül, die anderen drei Moleküle (SO₂ , SO₂ F und SO₂ F₂ ) kann fest adsorbiert werden, wenn es dem ZnO-C₃ . ausgesetzt wird N-Monoschicht. Diese Schlussfolgerung beweist, dass der Stoff die potenzielle Anwendung zur Gasentfernung in Hochspannungsgeräten hat.

DOS und PDOS des an ZnO-C₃ adsorbierten Gasmoleküls N-Monoschicht. a , b H₂ S-System. c , d SO₂ System. e , f SOF₂ System. g , h SO₂ F₂ System

Gassensor-Leistungsbewertung

Um die Gasdetektion zu erreichen, ist bei Geräten des Widerstandstyps nach der Adsorption eine mäßige Änderung der Leitfähigkeit erforderlich. Die Leitfähigkeit eines bestimmten Systems hängt mit seiner Bandlücke nach folgender Gleichung zusammen [59]:

wo A ist eine bestimmte Konstante, k _B ist die Boltzmann-Konstante (8,62 × 10 ⁻⁵ eV K ⁻¹ ) und T ist die Temperatur. Zwischen Leitfähigkeit und Bandlücke ist ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang zu erkennen, je größer die Bandlücke, desto schwieriger ist es für das Elektron, das verbotene Band zu durchqueren. Abbildung 7a zeigt, dass die Bandlücke in ZnO-C₃ Die N-Monoschicht ist mit 0,168 eV ziemlich klein, was weniger als die Hälfte der Bandlücke in reinem C₃ . ist N (0,39 eV), während die Eigenschaften des Halbleiters und der indirekten Bandlücke gleich bleiben, was anhand der unterschiedlichen Lage des unteren Endes des Leitungsbandes (M) und des oberen Endes des Valenzbandes (Γ) beurteilt werden kann. Bezüglich der Bandlücke von Adsorptionssystemen sind in Abb. 7b–d verschiedene Variationen zu finden. In H₂ S-System verringert sich die Bandlücke aufgrund der Abwärtsbewegung im unteren Bereich des Leitungsbandes auf 0,125 eV. In anderen Systemen trifft das neuartige Verunreinigungsniveau, das am oberen Ende des Valenzbandes erscheint, auf das Fermi-Niveau in der Nähe des M-Punktes und führt zu der Null-Bandlücke dieser Systeme, die als starke p-Dotierung für ZnO-C<. angesehen werden kann sub>3 N-Monoschicht [43, 60]. Obwohl die halbleitende Natur der adsorbierten Strukturen durch ihre metallähnliche Eigenschaft der Null-Bandlücke [61] überdeckt werden kann, könnte die Null-Bandlücke eine sichtbare Verbesserung der Leitfähigkeit bewirken. Es ist sehr wichtig, das Ansprechverhalten der Geräte auf Basis von ZnO-C₃ . zu verbessern N-Monoschicht. Um die weitere Analyse der Reaktion zu verstärken (R ) Leistung, hier berechnen wir sie basierend auf der folgenden Gleichung [62]:

Bandstruktur von a ZnO-C₃ N-Monoschicht, b H₂ S-System, c SO₂ System, d SOF₂ System und e SO₂ F₂ System

wo σ _rein und σ _Gas repräsentieren die Leitfähigkeit des ZnO-C₃ N-System vor bzw. nach der Adsorption. Den Berechnungen zufolge ist der R für die H₂ S-System und die restlichen drei Systeme sind 0,567 und 0,962, nämlich die Leitfähigkeit würde um 56,7 % und 96,2 % steigen, wenn die Adsorption an der Oberfläche von ZnO-C₃ . stattfindet N-Monoschicht; in diesem Fall ist es möglich, die Existenz dieser Gase zu erkennen.

Die Erholungszeit (τ ) ist ein weiterer wichtiger Parameter, um die Eigenschaft von Sensoren, die bei der Gasdetektion verwendet werden, abzuschätzen, die die Zeit angibt, die zum Entfernen der adsorbierten Gasmoleküle aufgewendet wird. Durch Durchsicht der Literatur, τ könnte mit der van’t Hoff-Arrhenius-Gleichung [63] berechnet werden:

wo F ist die Versuchshäufigkeit und definiert als 10 ¹² s ⁻¹ in dieser Studie. E _a ist die Energiebarriere für die Desorption, die gleich dem Wert von E . angenommen wird _Anzeigen hier, k _B und T sind wie in Gl. (3). Aus der Gl. (5) wäre die Desorption der adsorbierten Gase schwieriger als die E _Anzeigen größer werden, kann aber auch durch Anheben der Arbeitstemperatur gesteuert werden.

Tabelle 2 listet die Erholungszeit auf, die für die Entfernung der vier Gase von der Oberfläche von ZnO-C₃ . erforderlich ist N-Monoschicht. Für die H₂ S-Molekül, das kleine E _Anzeigen spiegelt zweifellos die niedrige Energiebarriere für die Desorption wider, was die extra kurze Erholungszeit in Mikrosekunden verursacht. Für die Systeme mit größerem E _Anzeigen , scheint es unmöglich, das Gasmolekül bei der Arbeitstemperatur von der Oberfläche zu trennen, da die Desorption mehrere Tage dauert. Wenn es 498 K und 598 K erreicht, was in elektrischen Geräten selten vorkommen kann, könnte der Desorptionsprozess für SO₂ . auf die Minutenskala beschleunigt werden und SOF₂ , bzw. Die extrem starke Adsorption zwischen den Gasmolekülen (SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ ) und die Oberfläche zeigt die potenzielle Anwendung des ZnO-C₃ N-Monoschicht als Gasfänger zur Entfernung des SF₆ Zersetzungsspezies und Aufrechterhaltung des guten Isolationszustandes innerhalb des Stromnetzes. Darüber hinaus ist in der tatsächlichen Struktur angesichts der hohen Menge an ZnO-Nanokristallen auf C₃ N wird erwartet, dass die Wirkung wesentlich verstärkt wird. Außerdem ist im Vergleich zur ursprünglichen Konfiguration die Aktivität der aus dem ZnO-C₃ . freigesetzten Gase N monolayer is greatly impaired and can hardly exert impact on the system because of the severe deformation of the molecular structures (SOF₂ und SO₂ F₂ ). In terms of the H₂ S, it is supposed that the unstable interaction and extremely short recovery time of ZnO-C₃ N monolayer towards H₂ S are unable to provide an effective detection as the adsorption density is supposed to be small.

Schlussfolgerungen

In this paper, a model of ZnO-modified C₃ N is established and the optimal structure is investigated by placing the ZnO particle on the surface of C₃ N in various orientations and position. Thus, the adsorption parameters of the ZnO-C₃ N monolayer on four SF₆ decomposition species, namely H₂ S, SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ , were obtained by analysing the E _ads , DOS, Q _T , and band structure before and after adsorption. It is found that the H₂ S molecule can hardly adsorb stably on the nanostructure; at the same time, the other gases are strongly trapped in the ZnO particle. These results confirmed that the adsorption performance of ZnO-C₃ N monolayer allows its potential application as gas scavenger to sweep SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ from the high-voltage equipment, which keeps the insulation strength and the safe operation of power system. Plus, the frontier molecular orbital theory implies that ZnO-C₃ N monolayer possesses the possibility to estimate the dielectric state of SF₆ insulation equipment as an indicator, given the obvious changes in conductivity caused by the adsorption of the abovementioned gases.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

All the data and material are provided in the manuscript and supplementary file.