Adsorption de produits décomposés de SF6 sur du C3N modifié au ZnO :une étude théorique

Introduction

Avec le développement rapide de la nanotechnologie, l'application de capteurs basés sur de nouveaux nanomatériaux est en augmentation ces dernières années. En raison de sa réponse rapide, de sa faible consommation, de son faible coût et de sa haute sensibilité, le nano-capteur a été exclusivement étudié dans le domaine médical, militaire, de la détection de gaz et de la surveillance de l'environnement [1,2,3,4]. Le capteur de type à résistance, en tant que l'un des capteurs les plus couramment utilisés, est préféré par les chercheurs en raison de sa structure simple et de son mécanisme de travail. Au début, le graphène est un matériau attrayant dans la détection de gaz pour ses excellentes performances physiques et chimiques, telles qu'une grande surface spécifique, une mobilité élevée des porteurs et une conductivité thermique favorable [5,6,7,8]. Cependant, le graphène est limité dans l'application de la reconnaissance des gaz en raison de sa caractéristique de bande interdite nulle [9, 10], sous-performant dans l'identification des gaz courants comme le CO, le CO₂ , CH₄ , N₂ , NON₂ , NH₃ , H₂ , et H₂ O [11]. Par la suite, grâce aux efforts conjoints des chercheurs, de nombreux nouveaux nanomatériaux ayant les mêmes propriétés que le graphène mais sans aucune bande interdite ont vu le jour dans le domaine de la détection de gaz, y compris, mais sans s'y limiter, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) [12,13,14 ], les carbures et nitrures métalliques [15], les semi-conducteurs stratifiés des groupes III-VI [16, 17] et les nitrures des groupes III-V [18,19,20].

Parmi les nouveaux matériaux de type graphène apparus, le C₃ N est synthétisé par la pyrolyse directe de monocristaux de trichlorhydrate d'hexaaminobenzène ou la polymérisation de la 2,3-diaminophénazine [21, 22], qui a attiré une attention considérable en tant qu'adsorbant de gaz [23, 24, 25]. Le C₃ N est intrinsèquement un semi-conducteur indirect avec une bande interdite de 0,39 eV qui peut être ajustée par la fabrication de points quantiques de différents diamètres [22]. En micro apparence, C₃ N peut être considéré comme une supercellule de graphène 2 × 2 substituée par deux atomes d'azote, possédant un réseau en nid d'abeille planaire avec six atomes de carbone et deux atomes d'azote. En raison des atomes N ajoutés, le C₃ intrinsèque N montre une activité chimique plus forte et une mobilité plus élevée des porteurs, mais conserve une stabilité structurelle similaire à celle du graphène, ce qui rend le C₃ N monocouche un candidat compétitif pour la détection de gaz [26]. En termes de capacité d'adsorption, les chercheurs ont prouvé que le C₃ intrinsèque N a une excellente sélectivité et sensibilité [27] dans la détection de NO₂ et SO₂ , tandis que pour les autres gaz, il n'y a pas d'effet d'adsorption évident. Néanmoins, la recherche montre clairement que la réactivité de surface de C₃ N pourrait être largement favorisé par la modification des particules d'impuretés. Par exemple, Pashangpour et Peyghan [28] ont mené une expérience comparative sur la capacité d'adsorption du CO du C₃ intrinsèque et dopé. N nanofeuille; leurs résultats illustrent que le dopant Al peut provoquer une interaction de liaison beaucoup plus forte que le C₃ vierge N. Plus tard, Zargham Bagheri [29] a théoriquement étudié le C₃ dopé au Si N pour l'adsorption de l'acétone, et on le trouve en remplaçant un atome de C par un atome de Si, l'énergie d'adsorption peut augmenter de − 9,7 à − 67,4 kcal/mol, et la sensibilité augmente à mesure que plus d'atomes de C sont substitués.

L'oxyde métallique est une alternative couramment utilisée dans la modification de surface pour améliorer la réactivité chimique pour les interactions gazeuses. En tant que l'un des semi-conducteurs à oxyde métallique, le ZnO a une bande interdite d'environ 3,37  eV avec une énergie de liaison excitante d'environ 60  meV, une stabilité chimique, d'excellentes propriétés photocatalytiques et une activité élevée pour certains gaz spécifiés [30]. Selon la référence [31], le ZnO peut croître dans des morphologies de nanostructures à 0 dimension (0D), 1 dimension (1D) et 2 dimensions (2D), avec des exemples de chaque classe comprenant les nanoclusters, les nanofils/nanotubes et les nanofeuilles/ nanorubans, respectivement. Compte tenu des caractéristiques de taille et de morphologie facilement contrôlées [32, 33], la nanoparticule de ZnO est un matériau prometteur en tant que dopant pour améliorer les performances de détection des nano-surfaces [34, 35, 36]. Récemment, quelques chercheurs ont proposé des études théoriques sur l'amélioration de l'activité de surface des nanomatériaux en utilisant un dopant d'oxyde métallique à molécule unique. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] ont étudié la capacité d'adsorption du graphène décoré de Cu et CuO sur H₂ S théoriquement et a trouvé que la conductivité du graphène modifié a changé de manière significative par rapport à celle du graphène intrinsèque après l'adsorption de H₂ S. Asadi et Vaezzadeh [38] ont conçu une feuille de graphène décorée au B et au CuO pour détecter H₂ S et CO basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La simulation dans ces travaux a été réalisée par DFT et ses codes de calcul étendent périodiquement la structure atomique ou moléculaire en fonction de la supercellule définie, puis calculent les propriétés physiques de l'ensemble du système. Sur la base de cette méthode, l'adsorption d'un atome ou d'une molécule sur le substrat en tant que capteur est utilisée pour étudier les nanostructures. Les rapports qui précèdent nous incitent à effectuer des recherches connexes et plus approfondies sur ce sujet concernant le dopage d'une seule molécule d'oxyde métallique ; ici, nous avons dopé C₃ N avec la molécule de ZnO au lieu de la nanoparticule de ZnO comme simplification pour explorer l'effet du ZnO sur la détection de gaz.

SF₆ est un milieu largement utilisé dans les appareillages de commutation à isolation gazeuse (GIS) avec des propriétés isolantes et d'extinction d'arc importantes [39]. Les inévitables défauts internes de l'accident, tels que les décharges partielles (DP) dans les SIG, décomposeront le SF₆ à certains sulfures à faible teneur en fluor comme le SF₄ , SF₃ , et SF₂ [40]. Ces sous-produits réagiraient davantage avec les traces d'humidité et d'oxygène, générant des produits chimiques stables tels que H₂ S, SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ [41]. La fiabilité isolante de ces sous-produits est bien inférieure au SF₆ et leur existence accélérera l'évolution de la MP si elle est laissée seule. Par conséquent, afin de garantir le fonctionnement sûr du SIG, il est essentiel de détecter ou d'éliminer ces gaz. Dans cet article, nous avons choisi le ZnO comme dopant et construit le modèle de C₃ modifié par ZnO N (ZnO-C₃ N) monocouche pour étudier ses performances d'adsorption sur SF₆ typique espèces décomposées (H₂ S, SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ ) théoriquement. En analysant les changements structurels, le comportement de transfert d'électrons, la structure de bande et la densité d'état (DOS), l'impact du dopant ZnO sur l'interaction entre le C₃ Les molécules de surface N et de gaz ont été étudiées de manière approfondie. Le but de notre travail est de donner le mécanisme détaillé d'adsorption et de détection du ZnO-C₃ Monocouche N pour une application potentielle pour détecter ou piéger les gaz d'impuretés dans le SF₆ dispositifs d'isolation.

Détails de calcul

Tous les calculs basés sur DFT ont été effectués en Dmol ³ paquet [42]. Afin de mieux décrire la densité électronique non uniforme d'un système réaliste, nous avons utilisé l'approximation du gradient généralisé (GGA [43]) dans la fonction Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) et la correction de dispersion de TS pour traiter l'électron termes de corrélation d'échange [44, 45]. Les pseudopots semi-noyaux DFT (DSSP) ont été induits pour le traitement du noyau et une base numérique double avec polarisation (DNP) a été choisie comme ensemble de base orbitale atomique [46]. Monkhorst-Pack k -des points de mailles 6 × 6 × 1 ont été définis à la fois dans les calculs d'optimisation géométrique et de structure électronique [47]. La tolérance de convergence d'énergie, la force maximale et le déplacement maximal dans l'optimisation géométrique ont été respectivement fixés à 1,0 × 10 ⁻⁵ Ha, 0,002 Ha/Å et 0,005 Å [48]. De plus, la monocouche et son image voisine étaient séparées par un espacement de vide de 15 Å pour éviter l'interaction entre elles.

Comme illustré sur la figure 1, la supercellule 2 × 2 × 1 de C₃ La monocouche de N et les molécules de gaz ont été établies et optimisées avant le processus de dopage et d'adsorption. La liaison C-N (1.422 Å) dans la monocouche optimisée est légèrement plus longue que la liaison C-C (1.418 Å) en raison du plus grand rayon de l'atome N par rapport à l'atome C. La constante de réseau obtenue dans ce travail est de 4,92 Å, similaire aux résultats rapportés dans la réf. [25, 49]. Nous avons calculé le transfert de charge entre la molécule et la monocouche par analyse de Hirshfeld et défini Q _T pour représenter le changement de charge dans la molécule de gaz. Un Q positif _T indique le comportement de libération d'électrons de la molécule de gaz. À l'opposé, cela suggère le comportement de réception d'électrons de la molécule de gaz.

Structure optimisée de C₃ N monocouche, H₂ S, SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂

Résultats et discussion

Analyse de ZnO-Modifié C₃ N Monocouche

Après optimisation géométrique, le ZnO a été placé sur la surface de C₃ N monocouche dans différentes orientations et positions pour explorer la configuration la plus raisonnable de ZnO-C₃ N. D'après la figure 2a, la particule de ZnO se rapproche de C₃ N monocouche à travers la verticale (O₁ , O₂ ) et parallèle (O₃ ) orientations au plan à la position du centre de la structure hexagonale (P_H1 , P_H2 ), le point médian des liaisons C-C et C-N (P_B1 , P_B2 ), et juste au-dessus de l'atome C (P_C ) et l'atome N. Nous avons défini l'énergie de formation (E _formulaire ) pour évaluer la stabilité du ZnO-C₃ N monocouche, calculée comme suit :

un Les positions et orientations approchantes de la molécule de ZnO. b La configuration la plus stable de ZnO-C₃ N

où E _ZnO et \( {E}_{{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} \) sont l'énergie de la molécule de ZnO et C₃ N monocouche avant dopage, et \( {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} \) est l'énergie de ZnO-C₃ N structure. Lorsque la « liaison » à courte distance entre les atomes se produit dans la structure atomique étendue, l'énergie totale est réduite et entraîne un E négatif _formulaire [50] ; la structure avec le plus grand E _formulaire est sélectionné pour l'adsorption et une analyse plus approfondie.

Toutes les configurations de ZnO-C₃ N monocouches sont représentées sur la figure S1, S2, S3. Ces résultats démontrent que la plupart des structures à grand E _formulaire sont en O₂ orientation et la particule de ZnO préfère se rapprocher du C₃ Surface N par position orientée O et piégée par un atome C. De plus, chaque processus de modification dans cette étude est spontané puisque le E _formulaire est négatif et le maximum E _formulaire est obtenu en plaçant la particule de ZnO en S_C en O₂ orientation. Comme on peut le voir sur la figure 2b, la molécule diatomique est attachée à C₃ N avec une inclinaison de 40°. La liaison Zn-O est allongée de 1,733 Å à 2,182 Å et la liaison C-O est mesurée à 1,338 Å. Sous l'effet de ZnO, la surface de C₃ N n'est plus plat mais un certain degré de distorsion se produit, et pendant ce temps l'atome C le plus proche de l'atome O est retiré de la surface. Pour plus de détails sur le comportement électronique du ZnO-C₃ N monocouche, la densité de charge de déformation (DCD) et la densité d'état (DOS) sont représentées sur la figure 3. Sur la figure 3a, la région rouge correspond à une augmentation de la densité de charge et la diminution est représentée en bleu. Lorsque la molécule de ZnO est adsorbée, elle extrait 0,255 e du C₃ Une monocouche N et une zone rouge distincte peuvent être reconnues autour de l'atome O. Alors que l'atome de Zn est entouré d'une zone bleue, signifiant la différence d'électronégativité entre l'atome O et l'atome Zn. De plus, l'augmentation significative de la densité de charge entre l'atome O et l'atome C suggère la formation d'une liaison C-O qui peut également être soutenue par l'hybridation intense entre les états de l'orbitale O 2p et celui de l'orbitale C 2p, comme le montre la figure 3c. D'après la courbe DOS de la figure 3b, il est évident que l'introduction de ZnO entraîne une augmentation de la DOS systémique et l'apparition de plusieurs nouveaux pics. On peut identifier que les nouveaux petits pics émergés sont contribués par l'atome d'O à environ - 2,5 eV et le plus grand situé à - 5,6 eV résulte apparemment de l'orbitale Zn 3d. Les changements de DOS et l'hybridation entre orbitales ont confirmé le fait que la particule de ZnO s'est fermement adsorbée à la surface de C₃ N et a exercé un grand impact sur la structure électronique de l'ensemble du système.

un DCD et b , c DOS et PDOS de ZnO-C₃ N monocouche

Comportement d'adsorption du ZnO-C₃ N Monocouche

Pour comparer complètement les paramètres d'adsorption possibles et sélectionner la configuration la plus souhaitable pour l'analyse, nous plaçons chaque molécule de gaz au-dessus de la surface de ZnO-C₃ N monocouche dans diverses orientations. Par exemple, pour les molécules triatomiques, à savoir H₂ S et SO₂ , nous avons fait le plan composé des trois atomes parallèles ou verticaux à la surface avec l'atome S vers le haut ou vers le bas. L'énergie d'adsorption (E _annonces ) est utilisé pour décrire les changements d'énergie de différentes structures d'adsorption et calculé comme

où E _gaz et \( {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} \) sont l'énergie de la molécule de gaz isolée et du ZnO-C₃ N monocouche avant adsorption, \( {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}/\mathrm{gas}} \) représente l'énergie du système avec gaz adsorbé. Après avoir obtenu l'énergie totale minimale locale de chaque situation, seule la structure avec le E maximal _annonces a été choisi pour une discussion plus approfondie, comme indiqué sur la figure 4, et la différence de densité électronique (EDD) est représentée sur la figure 5 pour une meilleure compréhension du mécanisme de transfert de charge.

La configuration d'adsorption de a H₂ Système S, b SO₂ système, c SOF₂ système, et d SO₂ F₂ système

L'EDD de a H₂ Système S, b SO₂ système, c SOF₂ système, et d SO₂ F₂ système

Le H₂ Le système d'adsorption S est donné sur la figure 4a, dans laquelle H₂ La molécule S est adsorbée en position parallèle et à la distance atomique la plus proche entre H₂ molécule (atome H) et le dopant ZnO (atome O) est mesuré comme 2.042 Å. La liaison H-S de l'atome H de capture est allongée à 1,374 Å par rapport à 1,357 Å dans son état isolé, tandis que l'autre H-S reste inchangé pendant le processus d'adsorption. La légère déformation de la configuration géométrique suggère l'interaction entre H₂ Molécule S et ZnO-C₃ La monocouche N est faible. Combiné avec le E _annonces (− 0.444 eV) et Q _T (− 0.077 e), il est clair que H₂ La molécule S ne peut pas adhérer de manière stable au ZnO-C₃ N monocouche; nous supposons que ZnO-C₃ La monocouche N n'est pas adaptée à la détection de H₂ S. Pour le SO₂ molécule représentée sur la figure 4b, les deux atomes O sont piégés par l'atome Zn à une distance de 2,020 et 2,031 Å, respectivement. La particule de ZnO se courbe plus près de la surface et l'angle formé par le Zn-O-C est réduit de 129 à 118° en raison de la présence de SO₂ . Dans le même temps, à partir de l'analyse de Hirshfeld, nous constatons que l'atome S agit comme un donneur d'électrons avec une perte de 0,164 e et son effet d'adsorption sur les atomes O est affaibli, entraînant l'extension des liaisons SO de 1,481 à 1,619 Å [ 51]. A l'inverse, la force inter-atomique renforcée, du fait de l'augmentation des électrons (0,292 e) dans l'atome O de ZnO, a raccourci la liaison Zn-O de 2,182 à 1,869 Å. Outre les variations géométriques et le transfert d'électrons, le E _annonces jusqu'à − 1.222 eV est une autre preuve d'une forte interaction au cours du processus d'adsorption, indiquant une application potentielle de ZnO-C₃ N monocouche dans la détection de SO₂ . Quant au SOF₂ et SO₂ F₂ système d'adsorption donné sur les figures 4c et d, on peut voir que les molécules cibles ont subi un changement radical de morphologie. L'atome F dans SOF₂ se débarrasse de la contrainte de la liaison S-F et est adsorbé par l'atome de Zn à une distance de 1,830 Å. Un changement encore plus drastique peut être observé dans SO₂ F₂ où les deux liaisons S-F se sont rompues et ont formé des liaisons Zn-F avec des longueurs de 1,802 et 1,883 Å. En plus de la formation de liaison Zn-F, le groupe SOF restant dans SOF₂ système est également piégé par l'atome de Zn à travers la liaison Zn-O. Mais dans le cas de SO₂ F₂ système, il est intéressant de noter que le SO₂ groupe généré par la décomposition de SO₂ F₂ n'est pas capturé mais garde une distance de l'atome de Zn, et avec ses liaisons S-O calculées de la même manière que le SO₂ isolé en longueur. La déformation prononcée des molécules de gaz est associée au grand E _annonces calculé aussi grand que − 1.683 eV dans SOF₂ système et − 3.497 eV dans SO₂ F₂ système. Sur cette base, l'adsorption de SOF₂ et SO₂ F₂ sur ZnO-C₃ N peut être déterminé comme une forte chimisorption accompagnée d'une grande quantité de transfert de charge dans ce processus, indiquant l'existence possible d'une hybridation orbitale électronique significative. Avec le grand E _annonces et Q _T , ZnO-C₃ La monocouche N peut fournir une adsorption plus stable au SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ que les autres nanomatériaux, comme indiqué dans le tableau 1, la configuration d'adsorption du ZnO-C₃ La monocouche N est plus grande que les nanomatériaux répertoriés de 0,358 à 3,281 eV et de 0,038 à 0,811 e, garantissant les performances d'adsorption de ce matériau lorsqu'il est utilisé dans la détection de gaz, alors que nous supposons qu'il est difficile pour ces molécules de gaz (SO_{2 , SOF2 et SO2 F2 ) pour se débarrasser de la force d'interaction forte due aux grandes Eannonces . Par conséquent, afin d'éviter la dégradation des performances causée par l'empoisonnement du capteur, des mesures telles que le recuit à haute température ou le rayonnement ultraviolet doivent être prises pour améliorer les performances de désorption du ZnO-C3 N monocouche. L'analyse des performances de désorption spécifique sera fournie dans la section « Évaluation des performances de détection de gaz ».}

En termes d'EDD illustré à la figure 5, la partie bleue indique la région d'accumulation d'électrons et l'autre partie en violet est la région d'épuisement des électrons. Pour H₂ Système S, une petite région d'accumulation peut être trouvée entre l'atome H et l'atome O, tandis que la plupart des régions d'accumulation et d'épuisement sont situées autour du H₂ Molécule S, suggérant le petit transfert de charge et la redistribution des orbitales moléculaires dans H₂ Molécule S. Dans le SO₂ système d'adsorption, il existe des régions d'appauvrissement évidentes qui entourent l'atome S et l'atome Zn, tandis que les régions d'accumulation sont principalement réparties autour des atomes O et au-dessus de l'atome S. Ce phénomène confirme le rôle récepteur d'électrons du SO₂ molécule, conformément au Q _T (− 0,426 e) obtenu à partir de l'analyse de Hirshfeld. Dans SOF₂ et SO₂ F₂ systèmes, à en juger par la grande échelle des régions d'accumulation et d'épuisement, il existe des transferts de charge et une hybridation électronique remarquables dans les deux systèmes. Les régions d'accumulation sont réparties entre les atomes du gaz cible, tandis que les régions d'épuisement sont principalement localisées autour de l'atome de Zn, reflétant la propriété distincte de donneur d'électrons de l'atome de Zn. En conséquence, ces comportements électroniques supposent que le ZnO-C₃ La monocouche N a une forte adsorption sur les molécules de gaz plus convaincante.

Propriétés électroniques du ZnO-C₃ N Monocouche sur l'adsorption de gaz

Comme indiqué dans graphène- [56], SWCNT- [57] et MoSe₂ - [58] basé sur des recherches sur la détection de gaz, le DOS est un autre paramètre important dans l'étude du comportement électronique entre les gaz et la nanostructure. On peut voir sur la figure 6a que la redistribution des orbitales moléculaires dans H₂ S est en accord avec la conclusion dérivée de l'EDD de la figure 5a. L'hybridation entre les orbitales H 1s et O 2p est disponible vers - 4 et - 6 eV mais de faible degré, démontrant la faible interaction et la possibilité infime de former une nouvelle liaison H-O. Quant à l'OS₂ système de la Fig. 6c, l'orbitale antiliante se déplace légèrement près du niveau de Fermi et une partie des orbitales se transforme de la séparation à la connexion, manifestant l'apparente redistribution de la structure électronique dans SO₂ molécule. Pour l'interaction entre les atomes de la figure 6d, les orbitales O 2p, Zn 4s et Zn 3d se trouvent hybridées à plusieurs niveaux d'énergie, tels que − 6, − 4 et − 2 eV. L'hybridation signifie la forte interaction chimique entre l'atome d'O et l'atome de Zn et soutient efficacement la formation de la liaison Zn-O telle que calculée dans la structure optimisée. Dans le SO₂ F et SO₂ F₂ système, en raison de la déformation dramatique de la structure, les orbitales moléculaires sont fortement activées et redistribuées avec de nombreuses nouvelles orbitales formées. Les orbitales F 2p et O 2p dans SOF₂ sont intensément hybridées avec les orbitales Zn 4s et 3d à - 8, - 7 et + 3 eV. L'hybridation entre les atomes F et les atomes Zn peut être identifiée près de - 7, - 5 et + 3,5 eV. L'hybridation apparente entre l'atome de Zn et les atomes F,O piégés est la preuve de la formation de liaisons chimiques stables, à savoir les liaisons Zn-F et Zn-O, ce qui peut expliquer le fort effet d'adsorption entre ZnO-C3 N monocouche et les deux gaz. Combiné avec les résultats obtenus à partir de quatre systèmes d'adsorption, à l'exception de H₂ molécule S, les trois autres molécules (SO₂ , SO₂ F, et SO₂ F₂ ) peut être fermement adsorbé lorsqu'il est exposé au ZnO-C₃ N monocouche. Cette conclusion prouve que la substance a une application potentielle d'élimination des gaz dans l'équipement haute tension.

DOS et PDOS de la molécule de gaz adsorbée sur ZnO-C₃ N monocouche. un , b H₂ système S. c , d SO₂ système. e , f SOF₂ système. g , h SO₂ F₂ système

Évaluation des performances de détection de gaz

Pour réaliser la détection de gaz, un changement modéré de conductivité est nécessaire pour les dispositifs de type résistif post-adsorption. La conductivité d'un certain système est liée à sa bande interdite selon l'équation suivante [59] :

où A est une certaine constante, k _B est la constante de Boltzmann (8,62 × 10 ⁻⁵ eV K ⁻¹ ) et T est la température. Une relation inversement proportionnelle peut être reconnue entre la conductivité et la bande interdite, plus la bande interdite est large, plus il est difficile pour l'électron de traverser la bande interdite. La figure 7a montre que la bande interdite dans le ZnO-C₃ La monocouche N est assez petite comme 0,168  eV, ce qui représente moins de la moitié de la bande interdite dans le C₃ vierge N (0,39  eV), tandis que les propriétés du semi-conducteur et de la bande interdite indirecte restent les mêmes, ce qui peut être jugé à partir de l'emplacement différent du bas de la bande de conduction (M) et du haut de la bande de valence (Γ). En ce qui concerne la bande interdite des systèmes d'adsorption, différentes variations peuvent être trouvées sur la figure 7b–d. En H₂ système S, la bande interdite diminue à 0,125  eV en raison du mouvement vers le bas dans le bas de la bande de conduction. Dans d'autres systèmes, le nouveau niveau d'impureté qui apparaît au sommet de la bande de valence rencontre le niveau de Fermi près du point M et entraîne la bande interdite nulle de ces systèmes, ce qui peut être considéré comme un fort dopage de type p pour le ZnO-C3 N monocouche [43, 60]. Bien que la nature semi-conductrice des structures adsorbées puisse être couverte par leur propriété de type métallique de bande interdite nulle [61], la bande interdite nulle pourrait fournir une amélioration visible de la conductivité. Il est très important d'améliorer les performances de réponse des appareils basés sur ZnO-C₃ N monocouche. Pour amplifier une analyse plus poussée de la réponse (R ) performance, ici, nous la calculons sur la base de l'équation suivante [62] :

Structure de bande de a ZnO-C₃ N monocouche, b H₂ système S, c SO₂ système, d SOF₂ système, et e SO₂ F₂ système

où σ _pur et σ _gaz représentent la conductivité du ZnO-C₃ Système N avant et après adsorption, respectivement. D'après les calculs, le R pour le H₂ système S et les trois autres systèmes sont 0,567 et 0,962, à savoir la conductivité augmenterait de 56,7% et 96,2% lorsque l'adsorption se produit à la surface de ZnO-C₃ N monocouche; dans ce cas, il est possible de détecter l'existence de ces gaz.

Le temps de récupération (τ ) est un autre paramètre important pour estimer la propriété des capteurs utilisés dans la détection de gaz, qui indique le temps passé à éliminer les molécules de gaz adsorbées. En examinant la littérature, τ pourrait être calculé par l'équation de van't Hoff Arrhenius [63] :

où F est la fréquence de tentative et définie comme 10 ¹² s ⁻¹ dans cette étude. E _un est la barrière énergétique pour la désorption qui est supposée la même que la valeur de E _annonces ici, k _B et T sont définis de la même manière que dans l'équation. (3). De l'éq. (5), la désorption pour les gaz adsorbés serait plus difficile que le E _annonces grossit, mais il peut également être contrôlé en augmentant la température de travail.

Le tableau 2 répertorie le temps de récupération requis pour que les quatre gaz soient éliminés de la surface du ZnO-C₃ N monocouche. Pour le H₂ Molécule S, le petit E _annonces reflète sans aucun doute la barrière à faible énergie pour la désorption, en conséquence, provoquant le temps de récupération extra court en microsecondes. En attendant, pour les systèmes avec un E plus grand _annonces , il semble impossible de séparer la molécule de gaz de la surface à la température de travail car la désorption prendra plusieurs jours. Lorsqu'il atteint 498 K et 598 K qui peuvent rarement se produire dans l'équipement électrique, le processus de désorption pourrait être accéléré à l'échelle des minutes pour SO₂ et SOF₂ , respectivement. L'adsorption extrêmement forte entre les molécules de gaz (SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ ) et la surface révèle l'application potentielle du ZnO-C₃ N monolayer as a gas scavenger to remove the SF₆ decomposition species and maintain the good insulation state inside the power system. 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.

Conclusions

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 _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 , 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.

Disponibilité des données et des matériaux

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