Adsorptie van SF6 afgebroken producten op ZnO-gemodificeerd C3N:een theoretische studie

Abstract

SF₆ , als een uitstekend isolatiemedium, wordt veel gebruikt in de hoogspanningsisolatie-apparaten, waardoor de veilige werking van het voedingssysteem wordt gegarandeerd. Niettemin veroorzaakt de onvermijdelijke gedeeltelijke ontlading in een langlopend apparaat de ontleding van SF₆ en verslechtert de isolatieprestaties. In dit werk werden DFT-berekeningen uitgevoerd om de adsorberende en sensing-eigenschappen van ZnO-gemodificeerd C₃ te bestuderen. N (ZnO-C₃ N) nanoblad richting SF₆ afgebroken producten, om een nieuwe nanokandidaat voor te stellen voor het evalueren van de werkingsstatus van SF₆ isolatie bedenkt. We onderzochten eerst de structuur van ZnO-C₃ N monolaag en simuleerde vervolgens zijn adsorptiegedrag op vier typische SF₆ ontbonden soorten, namelijk H₂ S, SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂ . Het blijkt dat de ZnO-C₃ N-monolaag kan gewenste reactiviteit en gevoeligheid vertonen op SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂ , wat leidt tot de intense vervorming van gasmoleculen en grote adsorptie-energieën. Deze gevolgen maken de mogelijke toepassing van gasadsorbens op basis van ZnO-C₃ . mogelijk N monolaag voor het verwijderen van onzuivere gassen uit SF₆ isolatie apparatuur. Volgens de analyse wordt verondersteld dat ZnO-C₃ N-monolaag is gekwalificeerd om te worden gebruikt om de isolatiesterkte te behouden en de veilige werking van het voedingssysteem te garanderen.

Inleiding

Met de snelle ontwikkeling van nanotechnologie neemt de laatste jaren de toepassing van sensoren op basis van nieuwe nanomaterialen toe. Vanwege de snelle respons, het lage verbruik, de lage kosten en de hoge gevoeligheid is nanosensor uitsluitend bestudeerd op het gebied van medische, militaire, gasdetectie en omgevingsmonitoring [1,2,3,4]. Sensoren van het weerstandstype, als een van de meest gebruikte sensoren, hebben de voorkeur van wetenschappers vanwege de eenvoudige structuur en het werkingsmechanisme. In het vroege stadium is grafeen een aantrekkelijk materiaal voor gasdetectie vanwege zijn uitstekende prestaties op fysisch en chemisch gebied, zoals een groot specifiek oppervlak, hoge dragermobiliteit en gunstige warmtegeleiding [5,6,7,8]. Het grafeen is echter beperkt in de toepassing van gasherkenning vanwege de nul-bandgap-karakteristiek [9, 10], en presteert ondermaats bij het identificeren van veelvoorkomende gassen zoals CO, CO₂ , CH₄ , N₂ , NEE₂ , NH₃ , H₂ , en H₂ O [11]. Daarna zijn, met de gezamenlijke inspanning van wetenschappers, talloze nieuwe nanomaterialen ontstaan met dezelfde eigenschappen als grafeen maar zonder bandgap van nul op het gebied van gasdetectie, inclusief maar niet beperkt tot overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) [12,13,14 ], metaalcarbiden en nitriden [15], gelaagde groep III-VI halfgeleiders [16, 17] en groep III-V nitriden [18,19,20].

Onder de nieuw opgekomen grafeenachtige materialen, C₃ N wordt gesynthetiseerd door de directe pyrolyse van hexaaminobenzeentrihydrochloride-eenkristallen of de polymerisatie van 2,3-diaminofenazine [21, 22], dat veel aandacht heeft gekregen als gasadsorbens [23,24,25]. De C₃ N is intrinsiek een indirecte halfgeleider met een bandgap van 0,39 eV die kan worden afgestemd door de fabricage van kwantumdots met verschillende diameters [22]. In micro-uiterlijk, C₃ N kan worden beschouwd als een supercel van 2 × 2 grafeen die is gesubstitueerd door twee stikstofatomen, met een vlak honingraatrooster met zes koolstofatomen en twee stikstofatomen. Door de toegevoegde N-atomen wordt de intrinsieke C₃ N vertoont een sterkere chemische activiteit en hogere mobiliteit van dragers, maar behoudt een vergelijkbare structurele stabiliteit in vergelijking met grafeen, waardoor de C₃ N monolaag een competitieve kandidaat voor gasdetectie [26]. Wat het adsorptievermogen betreft, hebben onderzoekers bewezen dat de intrinsieke C₃ N heeft een uitstekende selectiviteit en gevoeligheid [27] bij het detecteren van NO₂ en SO₂ , terwijl er voor andere gassen geen duidelijk adsorptie-effect is. Niettemin maakt onderzoek duidelijk dat de oppervlaktereactiviteit van C₃ N kan grotendeels worden bevorderd door de modificatie van onzuiverheidsdeeltjes. Zo voerden Pashangpour en Peyghan [28] een vergelijkend experiment uit met het CO-adsorptievermogen van intrinsieke en gedoteerde C₃ N nanoblad; hun resultaten illustreren dat Al-doteringsmiddel een veel sterkere bindingsinteractie tot stand kan brengen dan het ongerepte C₃ N. Later bestudeerde Zargham Bagheri [29] theoretisch Si-gedoteerde C₃ N voor adsorptie van aceton, en het wordt gevonden door een C-atoom te vervangen door een Si-atoom, de adsorptie-energie kan toenemen van -9.7 tot -67,4 kcal/mol, en de gevoeligheid neemt toe naarmate meer C-atomen worden vervangen.

Metaaloxide is een veelgebruikt alternatief voor oppervlaktemodificatie om de chemische reactiviteit voor gasinteracties te verbeteren. Als een van de metaaloxidehalfgeleiders heeft ZnO een bandgap van ongeveer 3,37 eV met een opwindende bindingsenergie van ongeveer 60 meV, chemische stabiliteit, uitstekende fotokatalytische eigenschappen en hoge activiteit voor bepaalde gespecificeerde gassen [30]. Volgens Ref [31] kan ZnO groeien in 0-dimensionale (0D), 1-dimensionale (1D) en 2-dimensionale (2D) nanostructuurmorfologieën, met voorbeelden van elke klasse, waaronder nanoclusters, nanodraden/nanobuisjes en nanosheets/ nanolinten, respectievelijk. Gezien het kenmerk van gemakkelijk te controleren grootte en morfologie [32, 33], is ZnO-nanodeeltje een veelbelovend materiaal om als doteringsmiddel te werken om de detectieprestaties van nano-oppervlakken te verbeteren [34,35,36]. Onlangs hebben enkele wetenschappers theoretische studies voorgesteld over het verbeteren van de oppervlakteactiviteit van nanomaterialen door gebruik te maken van een enkelvoudig molecuul metaaloxide doteringsmiddel. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] onderzocht het adsorptievermogen van met Cu en CuO versierd grafeen op H₂ S theoretisch en vond dat de geleidbaarheid van het gemodificeerde grafeen significant veranderde in vergelijking met die van intrinsiek grafeen na de adsorptie van H₂ S. Asadi en Vaezzadeh [38] ontwierpen een met B en CuO versierd grafeenvel voor het detecteren van H₂ S en CO gebaseerd op dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). De simulatie in deze werken werd uitgevoerd door DFT en de computationele codes ervan breiden de atomaire of moleculaire structuur periodiek uit op basis van de gedefinieerde supercel en berekenen vervolgens de fysieke eigenschappen van het hele systeem. Op basis van deze methode wordt de adsorptie van een atoom of molecuul op het substraat als sensor gebruikt om nanostructuren te bestuderen. De voorgaande rapporten stimuleren ons om gerelateerd en verder onderzoek te doen naar dit onderwerp over doping van enkelvoudige metaaloxidemoleculen; hierin hebben we C₃ . gedoteerd N met ZnO-molecuul in plaats van ZnO-nanodeeltje als een vereenvoudiging om het effect van ZnO op gasdetectie te onderzoeken.

SF₆ is een veelgebruikt medium in gasgeïsoleerde schakelapparatuur (GIS) met prominente isolerende en boogdovende eigenschappen [39]. De onvermijdelijke interne defecten van het ongeval, zoals gedeeltelijke ontlading (PD) in GIS, zullen SF₆ ontbinden tot sommige sulfiden met een laag fluoridegehalte, zoals SF₄ , SF₃ , en SF₂ [40]. Deze bijproducten zouden verder reageren met het sporenvocht en zuurstof, waardoor enkele stabiele chemicaliën worden gegenereerd, zoals H₂ S, SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂ [41]. De isolerende betrouwbaarheid van deze bijproducten is veel lager dan SF₆ en hun bestaan zal de evolutie van PD versnellen als ze alleen worden gelaten. Om de veilige werking van GIS te garanderen, is het daarom essentieel om deze gassen te detecteren of weg te vegen. In dit artikel kozen we ZnO als een doteringsstof en bouwden we het model van ZnO-gemodificeerde C₃ N (ZnO-C₃ N) monolaag om zijn adsorptieprestaties te bestuderen op typische SF₆ ontbonden soorten (H₂ S, SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂ ) theoretisch. Door de structurele veranderingen, het elektronenoverdrachtsgedrag, de bandstructuur en de staatsdichtheid (DOS) te analyseren, wordt de impact van ZnO-dotering op de interactie tussen de C₃ N-oppervlakte- en gasmoleculen werden uitgebreid bestudeerd. Het doel van ons werk is om een gedetailleerd adsorptie- en detectiemechanisme van ZnO-C₃ te geven. N-monolaag voor mogelijke toepassing om de onzuivere gassen in de SF₆ te detecteren of op te vangen isolatie apparaten.

Berekeningsdetails

Alle berekeningen op basis van DFT zijn uitgevoerd in Dmol³ pakket [42]. Om de niet-uniforme elektronendichtheid van een realistisch systeem beter te beschrijven, hebben we de gegeneraliseerde gradiëntbenadering (GGA [43]) binnen de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) -functie en de dispersiecorrectie van TS gebruikt om met het elektron om te gaan uitwisselingscorrelatietermen [44, 45]. De DFT semi-core pseudopots (DSSP) werden geïnduceerd voor kernbehandeling en dubbele numerieke basis met polarisatie (DNP) werd gekozen als de atomaire orbitale basisset [46]. Monkhorst-Pack k -punten van 6 × 6 × 1 mazen werden gedefinieerd in zowel geometrische optimalisatie als elektronische structuurberekeningen [47]. De tolerantie voor energieconvergentie, maximale kracht en maximale verplaatsing bij geometrische optimalisatie werden respectievelijk ingesteld op 1,0 × 10⁻⁵ Ha, 0,002 Ha/Å en 0,005 Å [48]. Bovendien werden de monolaag en het aangrenzende beeld gescheiden door een vacuümafstand van 15 Å om de interactie daartussen te vermijden.

Zoals geïllustreerd in Fig. 1, de 2 × 2 × 1 supercel van C₃ N-monolaag en de gasmoleculen werden vastgesteld en geoptimaliseerd voorafgaand aan het doterings- en adsorptieproces. De C-N-binding (1.422 Å) in de geoptimaliseerde monolaag is iets langer dan de C-C-binding (1.418 Å) als gevolg van de grotere straal van het N-atoom in vergelijking met het C-atoom. De in dit werk verkregen roosterconstante is 4,92 Å, vergelijkbaar met de gerapporteerde resultaten in Ref. [25, 49]. We berekenden de ladingsoverdracht tussen het molecuul en de monolaag door Hirshfeld-analyse en definieerden Q _T om de ladingsverandering in het gasmolecuul weer te geven. Een positieve Q _T geeft het elektron-afgevende gedrag van het gasmolecuul aan. Integendeel, het suggereert het elektronenontvangende gedrag van het gasmolecuul.

Geoptimaliseerde structuur van C₃ N monolaag, H₂ S, SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂

Resultaten en discussie

Analyse van ZnO-gemodificeerde C₃ N Monolaag

Na geometrische optimalisatie werd de ZnO op het oppervlak van C₃ . geplaatst N monolaag in verschillende oriëntaties en positie om de meest redelijke configuratie van ZnO-C₃ te onderzoeken N. Volgens figuur 2a nadert het ZnO-deeltje C₃ N monolaag door de verticale (O₁ , O₂ ) en parallel (O₃ ) oriëntaties naar het vlak op de positie van het midden van de hexagonale structuur (P_H1 , P_H2 ), het middelpunt van de C-C en C-N bindingen (P_B1 , P_B2 ), en recht boven het C-atoom (P_C ) en N-atoom. We hebben formatie-energie gedefinieerd (E _formulier ) om de stabiliteit van ZnO-C₃ . te beoordelen N monolaag, als volgt berekend:

$$ {E}_{\mathrm{form}}={E}_{\mathrm{ZnO}\hbox{-} {\mathrm{C}}_3\mathrm{N}}-{E}_{\ mathrm{ZnO}}-{E}_{{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $$ (1)

een De naderende posities en oriëntaties van het ZnO-molecuul. b De meest stabiele configuratie van ZnO-C₃ N

waar E _ZnO en $ {E}_{{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $ zijn de energie van het ZnO-molecuul en C₃ N monolaag vóór doping, en $ {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $ is de energie van ZnO-C₃ N-structuur. Wanneer de "binding" op korte afstand tussen atomen optreedt in de uitgebreide atomaire structuur, wordt de totale energie verminderd en resulteert in een negatieve E _formulier [50]; de structuur met de grootste E _formulier wordt geselecteerd voor adsorptie en verdere analyse.

Alle configuraties van ZnO-C₃ N monolaag worden weergegeven in figuur S1, S2, S3. Deze resultaten tonen aan dat de meeste structuren met grote E _formulier zijn in O₂ oriëntatie en het ZnO-deeltje nadert bij voorkeur de C₃ N oppervlak door O-georiënteerde positie en gevangen door een C-atoom. Bovendien is elk wijzigingsproces in deze studie spontaan omdat de E _formulier is negatief en de maximale E _formulier wordt verkregen door het ZnO-deeltje op S_C . te plaatsen in O₂ oriëntatie. Zoals te zien is in Fig. 2b, is het diatomische molecuul gehecht aan C₃ N met een helling van 40°. De Zn-O-binding is langwerpig van 1,733 Å tot 2,182 Å en de C-O-binding wordt gemeten als 1,338. Onder invloed van ZnO, het oppervlak van C₃ N is niet meer vlak maar er treedt een zekere mate van vervorming op en ondertussen wordt het C-atoom dat het dichtst bij het O-atoom ligt uit het oppervlak getrokken. Voor verdere bespreking van het elektronische gedrag van ZnO-C₃ N monolaag, de vervormingsladingsdichtheid (DCD) en staatsdichtheid (DOS) zijn afgebeeld in Fig. 3. In Fig. 3a komt het rode gebied overeen met een toename van de ladingsdichtheid en de afname wordt weergegeven in blauw. Wanneer het ZnO-molecuul wordt geadsorbeerd, extraheert het 0,255 e uit de C₃ N-monolaag en een duidelijk rood gebied zijn te herkennen rond het O-atoom. Terwijl het Zn-atoom is omgeven door een blauw gebied, wat het verschil in elektronegativiteit tussen het O-atoom en het Zn-atoom aangeeft. Bovendien suggereert de significante toename van de ladingsdichtheid tussen het O-atoom en het C-atoom de vorming van een CO-binding die ook kan worden ondersteund door de intense hybridisatie tussen de toestanden van de O 2p-orbitaal en die van de C 2p-orbitaal, zoals weergegeven in Fig. 3c. Uit de DOS-curve in Fig. 3b is het duidelijk dat de introductie van ZnO leidt tot een toename van de systemische DOS en het verschijnen van verschillende nieuwe pieken. Het kan worden vastgesteld dat de nieuw opgekomen kleine pieken worden bijgedragen door het O-atoom op ongeveer -2,5 eV en de grootste die zich op -5.6 eV bevindt, was blijkbaar het gevolg van de Zn 3d-orbitaal. De veranderingen in DOS en de hybridisatie tussen orbitalen bevestigden het feit dat het ZnO-deeltje stevig is geadsorbeerd op het oppervlak van C₃ N en oefende een grote invloed uit op de elektronische structuur van het hele systeem.

een DCD en b , c DOS en PDOS van ZnO-C₃ N monolaag

Adsorptiegedrag van ZnO-C₃ N Monolaag

Om de mogelijke adsorptieparameters volledig te vergelijken en de meest gewenste configuratie voor analyse te selecteren, plaatsen we elk gasmolecuul boven het oppervlak van ZnO-C₃ N monolaag in verschillende oriëntaties. Bijvoorbeeld voor triatomische moleculen, namelijk H₂ S en SO₂ , maakten we het vlak bestaande uit de drie atomen evenwijdig aan of verticaal aan het oppervlak met het S-atoom naar boven of naar beneden. De adsorptie-energie (E _advertenties ) wordt gebruikt om de energieveranderingen van verschillende adsorptiestructuren te beschrijven en berekend als

$$ {E}_{\mathrm{ads}}={E}_{\mathrm{ZnO}\hbox{-} {\mathrm{C}}_3\mathrm{N}/\mathrm{gas}}- {E}_{\mathrm{ZnO}\hbox{-} {\mathrm{C}}_3\mathrm{N}}-{E}_{\mathrm{gas}} $$ (2)

waar E _gas en $ {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $ zijn de energie van het geïsoleerde gasmolecuul en de ZnO-C₃ N monolaag vóór adsorptie, $ {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}/\mathrm{gas}} $ vertegenwoordigt de energie van het systeem met geadsorbeerd gas. Nadat de lokale minimale totale energie van elke situatie was verkregen, werd alleen de structuur met de maximale E _advertenties werd gekozen voor verdere bespreking, zoals weergegeven in figuur 4, en het elektronendichtheidsverschil (EDD) wordt weergegeven in figuur 5 voor een beter begrip van het ladingsoverdrachtsmechanisme.

De adsorptieconfiguratie van a H₂ S-systeem, b SO₂ systeem, c SOF₂ systeem, en d SO₂ F₂ systeem

De EDD van a H₂ S-systeem, b SO₂ systeem, c SOF₂ systeem, en d SO₂ F₂ systeem

De H₂ S-adsorptiesysteem wordt gegeven in Fig. 4a, waarin H₂ S-molecuul wordt geadsorbeerd in parallelle positie en de dichtstbijzijnde atomaire afstand tussen H₂ molecuul (H-atoom) en ZnO-doteringsmiddel (O-atoom) wordt gemeten als 2.042 Å. De H-S-binding van het vangst-H-atoom is verlengd tot 1,374 Å vergeleken met de 1,357 Å in zijn geïsoleerde toestand, terwijl de andere H-S onveranderd blijft tijdens het adsorptieproces. De lichte vervorming van de geometrieconfiguratie suggereert de interactie tussen H₂ S-molecuul en ZnO-C₃ N monolaag is zwak. Gecombineerd met de E _advertenties (− 0.444 eV) en Q _T (− 0.077 e), het is duidelijk dat H₂ S-molecuul kan niet stabiel hechten aan ZnO-C₃ N monolaag; we nemen aan dat ZnO-C₃ N monolaag is ongeschikt voor het detecteren van H₂ S. Voor de SO₂ molecuul getoond in Fig. 4b, worden beide O-atomen gevangen door een Zn-atoom met een afstand van respectievelijk 2.020 en 2.031 Å. Het ZnO-deeltje buigt dichter naar het oppervlak en de hoek gevormd door Zn-O-C wordt verkleind van 129 naar 118° vanwege de aanwezigheid van SO₂ . Tegelijkertijd blijkt uit de Hirshfeld-analyse dat het S-atoom fungeert als elektronendonor met een verlies van 0,164 e en dat het adsorptie-effect op O-atomen wordt verzwakt, wat resulteert in de uitbreiding van SO-bindingen van 1,481 tot 1,619 Å [ 51]. Omgekeerd heeft de versterkte interatomaire kracht, vanwege de elektronentoename (0,292 e) in het O-atoom van ZnO, de Zn-O-binding verkort van 2,182 tot 1,869 Å. Afgezien van de geometrische variaties en elektronenoverdracht, is de E _advertenties tot − 1.222 eV is een ander bewijs van sterke interactie tijdens het adsorptieproces, wat wijst op mogelijke toepassing van ZnO-C₃ N monolaag bij het detecteren van SO₂ . Wat betreft de SOF₂ en SO₂ F₂ adsorptiesysteem gegeven in Fig. 4c en d, kan worden gezien dat de doelmoleculen een dramatische verandering in morfologie hebben ondergaan. Het F-atoom in SOF₂ verwijdert de beperking van de SF-binding en geadsorbeerd door het Zn-atoom op een afstand van 1.830 Å. Een nog drastischer verandering kan worden waargenomen in SO₂ F₂ waar beide SF-bindingen braken en Zn-F-bindingen vormden met de lengtes van 1.802 en 1.883 Å. Naast de vorming van Zn-F-binding, de resterende SOF-groep in SOF₂ systeem wordt ook gevangen door het Zn-atoom via een Zn-O-binding. Maar in het geval van SO₂ F₂ systeem, is het interessant op te merken dat de SO₂ groep gegenereerd door de ontbinding van SO₂ F₂ wordt niet gevangen maar houdt afstand van het Zn-atoom, en met zijn S-O-bindingen wordt hetzelfde berekend als geïsoleerd SO₂ in lengte. De uitgesproken vervorming van gasmoleculen wordt geassocieerd met de grote E _advertenties berekend zo groot als − 1.683 eV in SOF₂ systeem en − 3.497 eV in SO₂ F₂ systeem. Op basis hiervan is de adsorptie van SOF₂ en SO₂ F₂ op ZnO-C₃ N kan worden bepaald als een sterke chemisorptie die gepaard gaat met een grote hoeveelheid ladingsoverdracht in dit proces, wat wijst op het mogelijke bestaan van significante elektron-orbitale hybridisatie. Met de grote E _advertenties en Q _T , ZnO-C₃ N-monolaag kan zorgen voor stabielere adsorptie aan SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂ dan andere nanomaterialen, zoals vermeld in tabel 1, de adsorptieconfiguratie van ZnO-C₃ N-monolaag is 0,358–3,281 eV en 0,038–0,811 e groter dan de vermelde nanomaterialen, wat de adsorptieprestaties van dit materiaal garandeert bij gebruik bij gasdetectie, terwijl we speculeren dat het moeilijk is voor deze gasmoleculen (SO₂ , SOF₂ en SO₂ F₂ ) om af te komen van de sterke interactiekracht als gevolg van de grote E_advertenties . Om de prestatievermindering veroorzaakt door sensorvergiftiging te voorkomen, moeten daarom maatregelen worden genomen zoals gloeien bij hoge temperatuur of ultraviolette straling om de desorptieprestaties van de ZnO-C₃ te verbeteren. N monolaag. De specifieke analyse van de desorptieprestatie wordt gegeven in het gedeelte "Evaluatie van de prestatie-evaluatie van gas".

In termen van de EDD getoond in Fig. 5, geeft het blauwe deel het elektronaccumulatiegebied aan en het andere deel in paars is het elektronuitputtingsgebied. Voor H₂ S-systeem kan een klein accumulatiegebied worden gevonden tussen het H-atoom en het O-atoom, terwijl de meeste accumulatie- en uitputtingsgebieden zich rond het H₂ bevinden S-molecuul, wat wijst op de kleine ladingsoverdracht en de herverdeling van moleculaire orbitalen in H₂ S-molecuul. In de SO₂ adsorptiesysteem zijn er duidelijke uitputtingsgebieden die het S-atoom en het Zn-atoom omringen, terwijl de accumulatiegebieden voornamelijk rond de O-atomen en boven het S-atoom zijn verdeeld. Dit fenomeen bevestigt de rol van de elektronenontvanger van SO₂ molecuul, in overeenstemming met de Q _T (− 0,426 e) verkregen uit Hirshfeld-analyse. In SOF₂ en SO₂ F₂ te oordelen naar de grote schaal van accumulatie- en uitputtingsgebieden, zijn er opmerkelijke ladingsoverdrachten en elektronenhybridisatie in beide systemen. De accumulatiegebieden zijn verdeeld over de atomen van het doelgas, terwijl de uitputtingsgebieden voornamelijk rond het Zn-atoom zijn gelokaliseerd, wat de duidelijke elektronendonerende eigenschap van het Zn-atoom weerspiegelt. Dientengevolge maken deze elektronische gedragingen de aanname dat de ZnO-C₃ N-monolaag heeft een sterke adsorptie aan de gasmoleculen die overtuigender zijn.

Elektronische eigenschappen van ZnO-C₃ N Monolaag op gasadsorptie

Zoals gerapporteerd in grafeen- [56], SWCNT- [57] en MoSe₂ - Op [58] gebaseerde gasdetectieonderzoeken is DOS een andere belangrijke parameter bij het onderzoeken van het elektronische gedrag tussen gassen en nanostructuur. In Fig. 6a is te zien dat de herverdeling van de moleculaire orbitalen in H₂ S komt overeen met de conclusie afgeleid van de EDD in figuur 5a. De hybridisatie tussen de H 1s- en O 2p-orbitalen is beschikbaar in de buurt van − 4 en − 6 eV, maar in een lage mate, wat de zwakke interactie aantoont en de kleine mogelijkheid om een nieuwe H-O-binding te vormen. Wat betreft de SO₂ systeem in Fig. 6c, beweegt de antibindende orbitaal enigszins in de buurt van het Fermi-niveau en een deel van de orbitalen transformeert van scheiding naar verbinding, wat de schijnbare herverdeling van de elektronische structuur in SO₂ manifesteert molecuul. Voor de interactie tussen de atomen in figuur 6d, worden de O 2p-, Zn 4s- en Zn 3d-orbitalen gehybridiseerd gevonden op meerdere energieniveaus, zoals − 6, − 4 en − 2 eV. De hybridisatie betekent de sterke chemische interactie tussen O-atoom en Zn-atoom en ondersteunt effectief de vorming van Zn-O-binding zoals berekend in de geoptimaliseerde structuur. In de SO₂ F en SO₂ F₂ systeem, vanwege de dramatische vervorming in structuur, worden de moleculaire orbitalen sterk geactiveerd en herverdeeld met veel nieuw gevormde orbitalen. De F 2p- en O 2p-orbitalen in SOF₂ zijn intens gehybridiseerd met de Zn 4s- en 3d-orbitalen bij -8, − 7 en + 3 eV. De hybridisatie tussen F-atomen en Zn-atomen kan worden geïdentificeerd in de buurt van − 7, − 5 en + 3.5 eV. De schijnbare hybridisatie tussen het Zn-atoom en de gevangen F,O-atomen is het bewijs van de vorming van stabiele chemische bindingen, namelijk de Zn-F- en Zn-O-bindingen, wat een verklaring kan zijn voor het sterke adsorptie-effect tussen ZnO-C₃ N monolaag en de twee gassen. Gecombineerd met de resultaten verkregen uit vier adsorptiesystemen, behalve H₂ S-molecuul, de andere drie moleculen (SO₂ , SO₂ F, en SO₂ F₂ ) kan stevig worden geadsorbeerd bij blootstelling aan de ZnO-C₃ N monolaag. Deze conclusie bewijst dat de stof de potentiële gasverwijderingstoepassing in de hoogspanningsapparatuur heeft.

DOS en PDOS van het gasmolecuul geadsorbeerd op ZnO-C₃ N monolaag. een , b H₂ S-systeem. c , d SO₂ systeem. e , v SOF₂ systeem. g , u SO₂ F₂ systeem

Evaluatie van gasdetectieprestaties

Om de gasdetectie te bereiken, is een matige verandering in geleidbaarheid nodig voor apparaten van het weerstandstype na adsorptie. De geleidbaarheid van een bepaald systeem is gerelateerd aan zijn bandgap volgens de volgende vergelijking [59]:

$$ \sigma =A\times {e}^{-{E}_g/2{k}_BT} $$ (3)

waar A is een bepaalde constante, k _B is de Boltzmann-constante (8,62 × 10⁻⁵ eV K⁻¹ ) en T is de temperatuur. Een omgekeerd evenredig verband kan worden herkend tussen geleidbaarheid en bandgap, hoe groter de bandgap, hoe moeilijker het is voor elektron om de verboden band te passeren. Figuur 7a laat zien dat de bandgap in ZnO-C₃ N-monolaag is vrij klein als 0,168 eV, wat minder is dan de helft van de bandgap in ongerepte C₃ N (0,39 eV), terwijl de eigenschappen van halfgeleider en indirecte bandgap hetzelfde blijven, wat kan worden beoordeeld aan de hand van de verschillende locatie van de onderkant van de geleidingsband (M) en de bovenkant van de valentieband (Γ). Met betrekking tot de bandgap van adsorptiesystemen kunnen verschillende variaties worden gevonden in Fig. 7b-d. In H₂ S-systeem neemt de bandgap af tot 0,125 eV vanwege de neerwaartse beweging in de onderkant van de geleidingsband. In andere systemen komt het nieuwe onzuiverheidsniveau dat verschijnt aan de bovenkant van de valentieband samen met het Fermi-niveau nabij het M-punt en resulteert in de nul-bandgap van deze systemen, wat kan worden beschouwd als sterke p-type doping voor de ZnO-C₃ N-monolaag [43, 60]. Hoewel de halfgeleidende aard van de geadsorbeerde structuren kan worden gedekt door hun metaalachtige eigenschap van nul-bandgap [61], zou de nul-bandgap een zichtbare verbetering van de geleidbaarheid kunnen bieden. Het is van groot belang om de responsprestaties van de apparaten te verbeteren op basis van ZnO-C₃ N monolaag. Om verdere analyse van de respons te versterken (R ) prestatie, hierin berekenen we het op basis van de volgende vergelijking [62]:

$$ R=\frac{\left|\frac{1}{\sigma_{\mathrm{gas}}}-\frac{1}{\sigma_{\mathrm{gas}}}\right|}{\frac {1}{\sigma_{\mathrm{pure}}}}=\left|\frac{\sigma_{\mathrm{pure}}-{\sigma}_{\mathrm{gas}}}{\sigma_{\ mathrm{gas}}}\right| $$ (4)

Bandstructuur van a ZnO-C₃ N monolaag, b H₂ S-systeem, c SO₂ systeem, d SOF₂ systeem, en e SO₂ F₂ systeem

waar σ _puur en σ _gas vertegenwoordigen de geleidbaarheid van de ZnO-C₃ N-systeem voor en na adsorptie, respectievelijk. Volgens de berekeningen is de R voor de H₂ S-systeem en de overige drie systemen zijn 0,567 en 0,962, namelijk de geleidbaarheid zou toenemen met 56,7% en 96,2% wanneer de adsorptie plaatsvindt op het oppervlak van ZnO-C₃ N monolaag; in dit geval is het mogelijk om het bestaan van deze gassen te detecteren.

De hersteltijd (τ ) is een andere belangrijke parameter voor het schatten van de eigenschap van sensoren die worden gebruikt bij gasdetectie, die de tijd aangeeft die is besteed aan het verwijderen van de geadsorbeerde gasmoleculen. Door de literatuur te bekijken, τ kan worden berekend met de van't Hoff Arrhenius-vergelijking [63]:

$$ \tau ={F}^{-1}{e}^{-{E}_{\mathrm{a}}/{k}_{\mathrm{B}}T} $$ (5)

waar F is de pogingsfrequentie en gedefinieerd als 10¹² s⁻¹ in dit onderzoek. E _een is de energiebarrière voor desorptie waarvan wordt aangenomen dat deze hetzelfde is als de waarde van E _advertenties hier, k _B en T zijn hetzelfde gedefinieerd als in Vgl. (3). Van de Vgl. (5), desorptie voor de geadsorbeerde gassen zou moeilijker zijn als de E _advertenties groter worden, maar het kan ook worden gecontroleerd door de werktemperatuur te verhogen.

Tabel 2 geeft de hersteltijd weer die nodig is om de vier gassen van het oppervlak van ZnO-C₃ te verwijderen N monolaag. Voor de H₂ S-molecuul, de kleine E _advertenties weerspiegelt ongetwijfeld de lage energiebarrière voor desorptie, waardoor de extra korte hersteltijd in microseconden wordt veroorzaakt. Ondertussen, voor de systemen met grotere E _advertenties , lijkt het onmogelijk om het gasmolecuul bij de werktemperatuur van het oppervlak te scheiden, aangezien de desorptie enkele dagen zal duren. Wanneer het 498 K en 598 K bereikt, wat zelden kan voorkomen in de elektrische apparatuur, kan het desorptieproces worden versneld tot de minutenschaal voor SO₂ en SOF₂ , respectievelijk. De extreem sterke adsorptie tussen de gasmoleculen (SO₂ , SOF₂ , en SO₂ F₂ ) en het oppervlak onthult de mogelijke toepassing van de ZnO-C₃ N monolaag als gasvanger om de SF₆ . te verwijderen ontledingssoorten en handhaaf de goede isolatiestaat binnen het machtssysteem. In addition, in the actual structure, given the high quantity of ZnO nanocrystals on C₃ N, the effect is expected to be substantially enhanced. Besides, comparing to the original configuration, the activity of the gases releasing from the ZnO-C₃ N monolayer is greatly impaired and can hardly exert impact on the system because of the severe deformation of the molecular structures (SOF₂ and 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.

Conclusies

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 , and SO₂ F₂ , were obtained by analysing the E _advertenties , 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 , and 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.