Études théoriques sur l'adsorption des produits de décomposition du SF₆ sur des nanofeuilles de C₃N modifiées par ZnO

Résumé

Le SF₆, milieu isolant exceptionnel, est largement utilisé dans les dispositifs d'isolation haute tension, garantissant la sûreté du réseau électrique. Toutefois, les décharges partielles inévitables dans les équipements vieillissants provoquent la décomposition du SF₆ et dégradent ses performances isolantes. Dans ce travail, des calculs DFT ont été réalisés pour étudier les propriétés d'adsorption et de détection des produits de décomposition du SF₆ sur une nanofeuille de C₃N modifiée par ZnO (ZnO-C₃N), afin de proposer un nouveau nanomatériau candidat pour évaluer l'état de fonctionnement des dispositifs d'isolation au SF₆. Nous avons d'abord examiné la structure de la monocouche ZnO-C₃N, puis simulé son comportement d'adsorption vis-à-vis de quatre espèces typiques issues de la décomposition du SF₆ : H₂S, SO₂, SOF₂ et SO₂F₂. Il apparaît que la monocouche ZnO-C₃N présente une réactivité et une sensibilité souhaitables envers SO₂, SOF₂ et SO₂F₂, entraînant une forte déformation des molécules gazeuses et de grandes énergies d'adsorption. Ces résultats permettent d'envisager l'application potentielle d'adsorbants gazeux basés sur la monocouche ZnO-C₃N pour l'élimination des gaz impurs dans les équipements d'isolation au SF₆. Selon l'analyse, la monocouche ZnO-C₃N est qualifiée pour maintenir la rigidité diélectrique et assurer le fonctionnement sûr du réseau électrique.

Introduction

Avec le développement rapide de la nanotechnologie, l'application de capteurs basés sur de nouveaux nanomatériaux s'est accrue ces dernières années. Grâce à leur réponse rapide, faible consommation, faible coût et haute sensibilité, les nanosenseurs ont été largement étudiés dans les domaines médical, militaire, de la détection de gaz et de la surveillance environnementale [1-4]. Le capteur de type résistif, l'un des plus couramment utilisés, est prisé des chercheurs pour sa structure et son mécanisme de fonctionnement simples. Au stade initial, le graphène constituait un matériau attractif pour la détection de gaz en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques, telles que sa grande surface spécifique, sa haute mobilité des porteurs et sa conductivité thermique favorable [5-8]. Cependant, le graphène est limité dans l'application de la reconnaissance de gaz en raison de sa caractéristique de bande interdite nulle [9, 10], sous-performant dans l'identification de gaz courants comme CO, CO₂, CH₄, N₂, NO₂, NH₃, H₂ et H₂O [11]. Par la suite, grâce aux efforts conjugués des chercheurs, de nombreux nouveaux nanomatériaux possédant des propriétés similaires au graphène mais exempts de bande interdite nulle ont émergé dans le domaine de la détection de gaz, notamment les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) [12-14], les carbures et nitrures métalliques [15], les semiconducteurs lamellaires du groupe III-VI [16, 17] et les nitrures du groupe III-V [18-20].

Parmi les nouveaux matériaux de type graphène, le C₃N est synthétisé par pyrolyse directe de cristaux uniques d'hexaaminobenzène trihydrochlorure ou par polymérisation de la 2,3-diaminophénazine [21, 22], ce qui a suscité un intérêt considérable comme adsorbant gazeux [23-25]. Le C₃N est intrinsèquement un semiconductor indirect avec une bande interdite de 0,39 eV, ajustable par la fabrication de points quantiques de différents diamètres [22]. À l'échelle microscopique, le C₃N peut être considéré comme une supercellule 2 × 2 de graphène substituée par deux atomes d'azote, possédant un réseau hexagonal planaire avec six atomes de carbone et deux atomes d'azote. Du fait des atomes d'azote ajoutés, le C₃N intrinsèque présente une activité chimique plus forte et une mobilité des porteurs plus élevée, tout en conservant une stabilité structurelle similaire au graphène, faisant de la monocouche de C₃N un candidat compétitif pour la détection de gaz [26]. En termes de capacité d'adsorption, les chercheurs ont prouvé que le C₃N intrinsèque possède une excellente sélectivité et sensibilité [27] pour la détection de NO₂ et SO₂, tandis que pour d'autres gaz, il n'y a pas d'effet d'adsorption évident. Néanmoins, les recherches montrent que la réactivité de surface du C₃N pourrait être largement améliorée par la modification par des particules d'impuretés. Par exemple, Pashangpour et Peyghan [28] ont réalisé une expérience comparative sur la capacité d'adsorption du CO sur du C₃N intrinsèque et dopé ; leurs résultats illustrent que le dopant Al peut provoquer une interaction de liaison bien plus forte que le C₃N pur. Plus tard, Zargham Bagheri [29] a étudié théoriquement le C₃N dopé au Si pour l'adsorption d'acétone, et a constaté qu'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 renforcer la réactivité chimique pour les interactions gazeuses. En tant que l'un des semiconducteurs d'oxyde métallique, le ZnO possède 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 haute activité vis-à-vis de certains gaz spécifiques [30]. Selon la référence [31], le ZnO peut croître sous des morphologies nanostructurées 0D, 1D et 2D, avec pour exemples de chaque classe les nanoclusters, les nanofils/nanotubes et les nanofeuilles/nanobandelettes, respectivement. Compte tenu de la caractéristique de taille et de morphologie facilement contrôlables [32, 33], la nanoparticule de ZnO est un matériau prometteur pour agir comme dopant afin d'améliorer les performances de détection des nanosurfaces [34-36]. 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 monomoléculaire. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] ont étudié théoriquement la capacité d'adsorption de graphène décoré par Cu et CuO vis-à-vis du H₂S et ont constaté que la conductivité du graphène modifié changeait significativement par rapport à celle du graphène intrinsèque après l'adsorption de H₂S. Asadi et Vaezzadeh [38] ont conçu une feuille de graphène décorée par B et CuO pour la détection de H₂S et CO basée 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 la structure atomique ou moléculaire périodiquement sur la base de la supercellule définie, puis calculent les propriétés physiques de l'ensemble du système. Basée sur cette méthode, l'adsorption d'un atome ou d'une molécule sur le substrat comme capteur est utilisée pour étudier les nanostructures. Les rapports susmentionnés nous incitent à effectuer des recherches connexes et plus approfondies sur ce sujet concernant le dopage par une molécule unique d'oxyde métallique ; ici, nous avons dopé le C₃N avec une molécule de ZnO au lieu d'une nanoparticule de ZnO comme simplification pour explorer l'effet du ZnO sur la détection de gaz.

Le SF₆ est un milieu largement utilisé dans les postes isolés au gaz (GIS) avec des propriétés isolantes et d'extinction d'arc remarquables [39]. Les défauts internes inévitables, tels que les décharges partielles (DP) dans les GIS, décomposent le SF₆ en sulfures à faible teneur en fluor tels que SF₄, SF₃ et SF₂ [40]. Ces sous-produits réagiraient ensuite avec l'humidité et l'oxygène traces, générant des produits chimiques stables tels que H₂S, SO₂, SOF₂ et SO₂F₂ [41]. La fiabilité isolante de ces sous-produits est bien inférieure à celle du SF₆ et leur existence accélérerait l'évolution des DP s'ils sont laissés sans surveillance. Par conséquent, afin de garantir le fonctionnement sûr des GIS, 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 monocouche de C₃N modifiée par ZnO (ZnO-C₃N) pour étudier théoriquement ses performances d'adsorption vis-à-vis des espèces typiques de décomposition du SF₆ (H₂S, SO₂, SOF₂ et SO₂F₂). En analysant les changements structuraux, le comportement de transfert d'électrons, la structure de bande et la densité d'états (DOS), l'impact du dopant ZnO sur l'interaction entre la surface de C₃N et les molécules gazeuses a été étudié de manière exhaustive. L'objectif de notre travail est de fournir un mécanisme détaillé d'adsorption et de détection de la monocouche ZnO-C₃N pour une application potentielle dans la détection ou l'élimination des gaz impurs dans les dispositifs d'isolation au SF₆.

Détails computationnels

Tous les calculs basés sur la DFT ont été effectués dans le package Dmol³ [42]. Pour mieux décrire la densité électronique non uniforme du système réaliste, nous avons employé l'approximation du gradient généralisé (GGA [43]) dans la fonctionnelle de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) et la correction de dispersion de TS pour traiter les termes d'échange-corrélation électroniques [44, 45]. Les pseudopotentiels semi-coeur DFT (DSSP) ont été utilisés pour le traitement du cœur et la base numérique double avec polarisation (DNP) a été choisie comme ensemble de base orbital atomique [46]. Des points k de Monkhorst-Pack de maillage 6 × 6 × 1 ont été définis à la fois dans l'optimisation géométrique et les calculs 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]. Par ailleurs, la monocouche et son image voisine étaient séparées par un espace vide de 15 Å pour éviter leur interaction.

Comme illustré à la Fig. 1, la supercellule 2 × 2 × 1 de la monocouche C₃N et les molécules gazeuses 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 rayon plus grand 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 les 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 gazeuse. Un Q_T positif indique le comportement donneur d'électrons de la molécule gazeuse. Inversement, cela suggère le comportement receveur d'électrons de la molécule gazeuse.

Résultats et discussion

Analyse de la monocouche C₃N modifiée par ZnO

Après optimisation géométrique, le ZnO a été placé sur la surface de la monocouche C₃N dans différentes orientations et positions pour explorer la configuration la plus raisonnable de ZnO-C₃N. Selon la Fig. 2a, la particule ZnO s'approche de la monocouche C₃N selon les orientations verticales (O₁, O₂) et parallèle (O₃) au plan aux positions du centre de la structure hexagonale (P_H1, P_H2), du point milieu des liaisons C-C et C-N (P_B1, P_B2), et juste au-dessus de l'atome C (P_C) et de l'atome N. Nous avons défini l'énergie de formation (E_form) pour évaluer la stabilité de la monocouche ZnO-C₃N, calculée comme suit :

E_form = E_ZnO-C₃N - E_ZnO - E_C₃N

où E_ZnO et E_C₃N sont les énergies de la molécule ZnO et de la monocouche C₃N avant dopage, et E_ZnO-C₃N est l'énergie de la structure ZnO-C₃N. Lorsque se produit un « liaison » à courte portée entre atomes dans la structure atomique étendue, l'énergie totale diminue, résultant en un E_form négatif [50] ; la structure avec le plus grand E_form est sélectionnée pour l'adsorption et l'analyse ultérieure.

Toutes les configurations de la monocouche ZnO-C₃N sont affichées dans les Figures S1, S2, S3. Ces résultats démontrent que la plupart des structures avec un grand E_form sont en orientation O₂ et la particule ZnO préfère s'approcher de la surface C₃N par une position orientée O et piégée par un atome C. De plus, chaque processus de modification dans cette étude est spontané puisque E_form est négatif et le maximum d'E_form est obtenu en plaçant la particule ZnO en S_C en orientation O₂. Comme on peut le voir en Fig. 2b, la molécule diatomique est attachée au C₃N avec une inclinaison de 40°. La liaison Zn-O s'allonge de 1,733 Å à 2,182 Å et la liaison C-O est mesurée à 1,338 Å. Sous l'effet du ZnO, la surface du C₃N n'est plus plane mais un certain degré de distorsion se produit, et simultanément l'atome C le plus proche de l'atome O est tiré hors de la surface. Pour une discussion plus approfondie du comportement électronique de la monocouche ZnO-C₃N, la densité de charge de déformation (DCD) et la densité d'états (DOS) sont représentées en Fig. 3. En Fig. 3a, la région rouge correspond à une augmentation de la densité de charge et la diminution est représentée en bleu. Lorsque la molécule ZnO est adsorbée, elle extrait 0,255 e de la monocouche C₃N et une zone rouge distincte peut être reconnue autour de l'atome O. Alors que l'atome 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 de liaison C-O, ce qui peut également être soutenu par l'hybridation intense entre les états de l'orbitale 2p de l'O et celle de l'orbitale 2p du C, comme montré en Fig. 3c. D'après la courbe DOS en Fig. 3b, il est évident que l'introduction du ZnO entraîne une augmentation de la DOS systémique et l'apparition de plusieurs nouveaux pics. On peut identifier que les nouveaux petits pics émergents sont contribués par l'atome O à environ −2,5 eV et le plus grand situé à −5,6 eV résultant apparemment de l'orbitale 3d du Zn. Les changements dans la DOS et l'hybridation entre orbitales confirment le fait que la particule ZnO s'est fermement adsorbée sur la surface du C₃N et a exercé un grand impact sur la structure électronique de l'ensemble du système.

Comportement d'adsorption de la monocouche ZnO-C₃N

Pour comparer pleinement les paramètres d'adsorption possibles et sélectionner la configuration la plus souhaitable pour l'analyse, nous avons placé chaque molécule gazeuse au-dessus de la surface de la monocouche ZnO-C₃N dans diverses orientations. Par exemple, pour les molécules triatomiques, à savoir H₂S et SO₂, nous avons rendu le plan composé des trois atomes parallèle ou vertical à la surface avec l'atome S vers le haut ou vers le bas. L'énergie d'adsorption (E_ads) est utilisée pour décrire les changements d'énergie des différentes structures d'adsorption et calculée comme suit :

E_ads = E_ZnO-C₃N/gaz - E_ZnO-C₃N - E_gaz

où E_gaz et E_ZnO-C₃N sont les énergies de la molécule gazeuse isolée et de la monocouche ZnO-C₃N avant adsorption, E_ZnO-C₃N/gaz représente l'énergie du système avec le gaz adsorbé. Après l'obtention de l'énergie totale minimale locale de chaque situation, seule la structure avec le maximum d'E_ads a été choisie pour une discussion plus approfondie, comme donné en Fig. 4, et la différence de densité électronique (EDD) est représentée en Fig. 5 pour une meilleure compréhension du mécanisme de transfert de charge.

Le système d'adsorption H₂S est donné en Fig. 4a, où la molécule H₂S est adsorbée en position parallèle et la distance atomique la plus proche entre la molécule H₂S (atome H) et le dopant ZnO (atome O) est mesurée à 2,042 Å. La liaison H-S de l'atome H capturé s'allonge à 1,374 Å comparé à 1,357 Å dans son état isolé, tandis que l'autre liaison H-S reste inchangée pendant le processus d'adsorption. La légère déformation de la configuration géométrique suggère que l'interaction entre la molécule H₂S et la monocouche ZnO-C₃N est faible. Combiné avec E_ads (−0,444 eV) et Q_T (−0,077 e), il est clair que la molécule H₂S ne peut pas adhérer de manière stable à la monocouche ZnO-C₃N ; nous supposons que la monocouche ZnO-C₃N est inadaptée pour la détection de H₂S. Pour la molécule SO₂ montrée en Fig. 4b, les deux atomes O sont piégés par l'atome Zn avec des distances de 2,020 et 2,031 Å, respectivement. La particule ZnO se courbe vers la surface et l'angle formé par Zn-O-C est réduit de 129° à 118° en raison de la présence de SO₂. Simultanément, d'après 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, résultant en l'allongement des liaisons S-O de 1,481 à 1,619 Å [51]. Inversement, la force interatomique renforcée, due à l'augmentation d'électrons (0,292 e) dans l'atome O du ZnO, a raccourci la liaison Zn-O de 2,182 à 1,869 Å. En plus des variations géométriques et du transfert d'électrons, E_ads atteignant −1,222 eV est une autre preuve d'interaction forte pendant le processus d'adsorption, indiquant l'application potentielle de la monocouche ZnO-C₃N dans la détection de SO₂. Quant aux systèmes d'adsorption SOF₂ et SO₂F₂ donnés en Fig. 4c et d, on peut voir que les molécules cibles ont subi un changement dramatique de morphologie. L'atome F dans SOF₂ se libère de la contrainte de la liaison S-F et est adsorbé par l'atome Zn à une distance de 1,830 Å. Un changement encore plus drastique peut être observé dans SO₂F₂ où les deux liaisons S-F se rompent et forment 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 le système SOF₂ est également piégé par l'atome Zn via une liaison Zn-O. Mais dans le cas du système SO₂F₂, il est intéressant de noter que le groupe SO₂ généré par la décomposition de SO₂F₂ n'est pas capturé mais garde une distance de l'atome Zn, et avec ses liaisons S-O calculées de la même longueur que le SO₂ isolé. La déformation prononcée des molécules gazeuses est associée aux grandes valeurs d'E_ads calculées jusqu'à −1,683 eV dans le système SOF₂ et −3,497 eV dans le système SO₂F₂. Sur cette base, l'adsorption de SOF₂ et SO₂F₂ sur ZnO-C₃N peut être déterminée comme une chimisorption forte accompagnée d'un grand transfert de charge dans ce processus, indiquant la possible existence d'une hybridation significative d'orbitales électroniques. Avec les grands E_ads et Q_T, la monocouche ZnO-C₃N peut fournir une adsorption plus stable à SO₂, SOF₂ et SO₂F₂ que d'autres nanomatériaux, comme listé dans le Tableau 1, la configuration d'adsorption de la monocouche ZnO-C₃N est supérieure aux nanomatériaux listés de 0,358–3,281 eV et 0,038–0,811 e, assurant la performance d'adsorption de ce matériau lorsqu'il est utilisé dans la détection de gaz, alors que nous spéculons qu'il est difficile pour ces molécules gazeuses (SO₂, SOF₂ et SO₂F₂) de se débarrasser de la forte force d'interaction en conséquence du grand E_ads. Par conséquent, afin de prévenir la dégradation des performances causée par l'empoisonnement du capteur, des mesures telles que le recuit à haute température ou le rayonnement ultraviolet devraient être prises pour améliorer la performance de désorption de la monocouche ZnO-C₃N. L'analyse spécifique de la performance de désorption sera fournie dans la section « Évaluation de la performance de détection gazeuse ».

En termes d'EDD montré en Fig. 5, la partie bleue indique la région d'accumulation d'électrons et l'autre partie en violet est la région de déplétion d'électrons. Pour le système H₂S, 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 de déplétion sont localisées autour de la molécule H₂S, suggérant le faible transfert de charge et la redistribution des orbitales moléculaires dans la molécule H₂S. Dans le système d'adsorption SO₂, il y a des régions de déplétion évidentes qui entourent l'atome S et l'atome Zn, tandis que les régions d'accumulation sont principalement distribuées autour des atomes O et au-dessus de l'atome S. Ce phénomène confirme le rôle de receveur d'électrons de la molécule SO₂, en accord avec le Q_T (−0,426 e) obtenu de l'analyse de Hirshfeld. Dans les systèmes SOF₂ et SO₂F₂, jugeant par la grande échelle des régions d'accumulation et de déplétion, il y a des transferts de charge remarquables et une hybridation électronique dans les deux systèmes. Les régions d'accumulation sont distribuées parmi les atomes du gaz cible, tandis que les régions de déplétion sont principalement localisées autour de l'atome Zn, reflétant la propriété distincte de donneur d'électrons de l'atome Zn. Par conséquent, ces comportements électroniques rendent l'hypothèse que la monocouche ZnO-C₃N a une forte adsorption sur les molécules gazeuses plus convaincante.

Propriétés électroniques de la monocouche ZnO-C₃N lors de l'adsorption gazeuse

Comme rapporté dans les recherches sur la détection de gaz basées sur le graphène [56], les SWCNT [57] et MoSe₂ [58], la DOS est un autre paramètre important dans l'étude du comportement électronique entre gaz et nanostructure. On peut voir en Fig. 6a que la redistribution des orbitales moléculaires dans H₂S est en accord avec la conclusion dérivée de l'EDD en Fig. 5a. L'hybridation entre les orbitales H 1s et O 2p est disponible près de −4 et −6 eV mais d'un faible degré, démontrant l'interaction faible et la faible possibilité de formation d'une nouvelle liaison H-O. Quant au système SO₂ en Fig. 6c, l'orbitale antiliaison se déplace légèrement près du niveau de Fermi et une partie des orbitales passe de la séparation à la connexion, manifestant la redistribution apparente de la structure électronique dans la molécule SO₂. Pour l'interaction entre les atomes en Fig. 6d, les orbitales O 2p, Zn 4s et Zn 3d sont trouvées hybridées à plusieurs niveaux d'énergie, tels que −6, −4 et −2 eV. L'hybridation signifie la forte interaction chimique entre l'atome O et l'atome Zn et soutient efficacement la formation de liaison Zn-O comme calculée dans la structure optimisée. Dans les systèmes SO₂F et SO₂F₂, en raison de la déformation dramatique de la structure, les orbitales moléculaires sont fortement activées et redistribuées avec de nombreuses orbitales nouvellement 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 Zn peut être identifiée près de −7, −5 et +3,5 eV. L'hybridation apparente entre l'atome 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 l'effet d'adsorption fort entre la monocouche ZnO-C₃N et les deux gaz. Combiné avec les résultats obtenus des quatre systèmes d'adsorption, excepté la molécule H₂S, les trois autres molécules (SO₂, SO₂F et SO₂F₂) peuvent être fermement adsorbées lorsqu'elles sont exposées à la monocouche ZnO-C₃N. Cette conclusion prouve que la substance a l'application potentielle d'élimination de gaz dans les équipements haute tension.

Évaluation de la performance de détection gazeuse

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

σ = A × e^(−E_g/2k_BT)

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 conductivité et bande interdite, plus la bande interdite est large, plus il est difficile pour l'électron de traverser la bande interdite. La Figure 7a démontre que la bande interdite dans la monocouche ZnO-C₃N est assez petite, 0,168 eV, soit moins de la moitié de la bande interdite dans le C₃N pur (0,39 eV), tandis que les propriétés de semiconductor et de bande interdite indirecte restent les mêmes, ce qui peut être jugé par la localisation différente 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 en Fig. 7b–d. Dans le système H₂S, la bande interdite diminue à 0,125 eV en raison du mouvement vers le bas du bas de la bande de conduction. Dans les 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 résulte en une bande interdite nulle de ces systèmes, ce qui peut être considéré comme un dopage p-type fort pour la monocouche ZnO-C₃N [43, 60]. Bien que la nature semiconductrice des structures adsorbées puisse être masquée par leur propriété métallique de bande interdite nulle [61], la bande interdite nulle pourrait fournir une amélioration visible de la conductivité. Il est très significatif d'améliorer la performance de réponse des dispositifs basés sur la monocouche ZnO-C₃N. Pour amplifier l'analyse de la réponse (R), nous la calculons ici sur la base de l'équation suivante [62] :

R = |σ_pure - σ_gaz| / σ_gaz

où σ_pure et σ_gaz représentent la conductivité du système ZnO-C₃N avant et après adsorption, respectivement. Selon les calculs, le R pour le système H₂S 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 sur la surface de la monocouche ZnO-C₃N ; 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 gazeuses adsorbées. En consultant la littérature, τ pourrait être calculé par l'équation de van't Hoff Arrhenius [63] :

τ = F⁻¹ e^(−E_a/k_BT)

où F est la fréquence de tentative et définie comme 10¹² s⁻¹ dans cette étude. E_a est la barrière d'énergie pour la désorption qui est supposée identique à la valeur d'E_ads ici, k_B et T sont définis comme dans l'Éq. (3). D'après l'Éq. (5), la désorption pour les gaz adsorbés serait plus difficile à mesure que E_ads augmente, mais elle peut aussi être contrôlée en augmentant la température de travail.

Le Tableau 2 liste le temps de récupération requis pour les quatre gaz pour s'éliminer de la surface de la monocouche ZnO-C₃N. Pour la molécule H₂S, le petit E_ads reflète sans conteste la faible barrière d'énergie pour la désorption, causant en conséquence un temps de récupération extra court en microsecondes. En même temps, pour les systèmes avec de plus grands E_ads, il semble impossible de séparer la molécule gazeuse de la surface à la température de travail car la désorption prendrait plusieurs jours. Lorsqu'elle atteint 498 K et 598 K, qui se produisent rarement dans les équipements électriques, le processus de désorption pourrait être accéléré à l'échelle des minutes pour SO₂ et SOF₂, respectivement. L'adsorption extrêmement forte entre les molécules gazeuses (SO₂, SOF₂ et SO₂F₂) et la surface révèle l'application potentielle de la monocouche ZnO-C₃N comme piège à gaz pour éliminer les espèces de décomposition du SF₆ et maintenir le bon état d'isolation à l'intérieur du réseau électrique. En outre, dans la structure réelle, étant donné la grande quantité de nanocristaux ZnO sur C₃N, l'effet devrait être substantiellement amélioré. De plus, par rapport à la configuration originale, l'activité des gaz se libérant de la monocouche ZnO-C₃N est grandement altérée et peut difficilement exercer un impact sur le système en raison de la déformation sévère des structures moléculaires (SOF₂ et SO₂F₂). En termes de H₂S, on suppose que l'interaction instable et le temps de récupération extrêmement court de la monocouche ZnO-C₃N vis-à-vis du H₂S sont incapables de fournir une détection efficace car la densité d'adsorption est supposée être faible.

Conclusions

Dans cet article, un modèle de C₃N modifiée par ZnO est établi et la structure optimale est étudiée en plaçant la particule ZnO sur la surface du C₃N dans diverses orientations et positions. Ainsi, les paramètres d'adsorption de la monocouche ZnO-C₃N sur quatre espèces de décomposition du SF₆, à savoir H₂S, SO₂, SOF₂ et SO₂F₂, ont été obtenus en analysant E_ads, DOS, Q_T et structure de bande avant et après adsorption. Il a été trouvé que la molécule H₂S peut difficilement s'adsorber de manière stable sur la nanostructure ; en même temps, les autres gaz sont fortement piégés dans la particule ZnO. Ces résultats ont confirmé que la performance d'adsorption de la monocouche ZnO-C₃N permet son application potentielle comme piège à gaz pour éliminer SO₂, SOF₂ et SO₂F₂ des équipements haute tension, ce qui maintient la rigidité diélectrique et le fonctionnement sûr du réseau électrique. De plus, la théorie des orbitales moléculaires de frontière implique que la monocouche ZnO-C₃N possède la possibilité d'estimer l'état diélectrique des équipements d'isolation au SF₆ comme indicateur, étant donné les changements évidents de conductivité causés par l'adsorption des gaz susmentionnés.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données et matériaux sont fournis dans le manuscrit et le fichier supplémentaire.