Monocamada MoTe2 dopada com Rh como um candidato promissor para detecção e eliminação de espécies decompostas em SF6:um estudo DFT

Resumo

Neste trabalho, os comportamentos de adsorção e detecção de MoTe dopado com Rh ₂ (Rh-MoTe ₂ ) monocamada sobre SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ são investigados usando a teoria dos primeiros princípios, em que o comportamento de doping Rh no MoTe puro ₂ a superfície também está incluída. Os resultados indicam que T _Mo é o local preferido de doping Rh com E _b de - 2,69 eV, e no Rh-MoTe ₂ superfície, SO ₂ e SO ₂ F ₂ são identificados como quimissorção com E _anúncio de - 2,12 e - 1,65 eV, respectivamente, enquanto SOF ₂ é fisicamente adsorvido por E _anúncio de - 0,46 eV. A análise DOS verifica o desempenho de adsorção e ilustra o comportamento eletrônico do doping Rh na adsorção de gás. A estrutura de banda e a análise orbital molecular de fronteira fornecem o mecanismo de detecção básico de Rh-MoTe ₂ monocamada como um sensor do tipo de resistência. O comportamento de recuperação suporta o potencial da superfície dopada com Rh como um SO ₂ reutilizável sensor e sugere sua exploração como um limpador de gás para remoção do SO ₂ F ₂ em SF ₆ dispositivos de isolamento. A função dielétrica manifesta que Rh-MoTe ₂ monocamada é um sensor óptico promissor para a detecção seletiva de três gases. Este trabalho é benéfico para explorar Rh-MoTe ₂ monocamada como um material de detecção ou um adsorvente de gás para garantir a operação segura do SF ₆ dispositivos de isolamento de forma fácil e de alta eficiência.

Introdução

SF ₆ Dispositivos de isolamento, em sistemas de potência de alta até mesmo ultra-alta tensão, são um tipo dos equipamentos mais importantes e caros [1,2,3], exceto transformadores elétricos [4, 5], para garantir a operação segura de todo o sistema. Essas contribuições atribuem à forte propriedade de extinção de arco e alta eletronegatividade de SF ₆ gás que se comporta como um meio de isolamento em tais dispositivos [6]. No entanto, em um de longa duração, SF ₆ ainda poderia ser decomposto em vários sulfetos de baixo flúor pelo poder de descarga parcial causada por inevitáveis defeitos internos do equipamento [7, 8]. Além disso, esses subprodutos irão interagir ainda mais com a água residual e oxigênio circundantes, formando alguns produtos químicos estáveis, como SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ e em vez disso, deteriorando o comportamento de isolamento de SF ₆ [9]. Portanto, a detecção dessas espécies decompostas foi considerada uma maneira eficaz de avaliar o status de decomposição de SF ₆ e para refletir o status de operação dos dispositivos de isolamento relacionados [10].

Com a crescente atenção dos dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), MoS ₂ Sensores baseados foram propostos para detecção de SF ₆ espécies decompostas [11,12,13]. Esses relatórios demonstraram a adequação e superioridade do MoS dopado com metal de transição (TM) ₂ monocamada para componentes de detecção, incluindo SO ₂ e SOF ₂ . Além disso, um estudo teórico sobre a característica de detecção de MoTe original ₂ monocamada em SF ₆ espécies decompostas prova sua adequação para detectar SO ₂ [14]. Além disso, os avanços recentes na deposição de vapor químico (CVD) usados para a síntese em larga escala de TMDs aceleram amplamente o desenvolvimento de MoTe ₂ monocamada para aplicações de detecção de gás [15,16,17]. Conforme relatado, MoTe ₂ monocamada possui excelente mobilidade de portadores, grande comprimento de ligação e baixa energia de ligação, o que fornece alta sensibilidade nas interações de gás em temperatura ambiente [18]. Assim, é esperançoso que MoTe ₂ monocamada é um candidato bastante promissor para detecção de gás e sua aplicação para detecção de SF ₆ espécies decompostas devem ser mais exploradas.

Está bem provado que os nanomateriais 2D dopados com TM possuem desempenho de adsorção e comportamento de detecção mais fortes em moléculas gasosas em comparação com superfícies primitivas [19,20,21,22]. Isso se deve à admirável atividade química e comportamento catalítico da TM cujo d orbital pode hibridizar fortemente com essas moléculas adsorvidas, facilitando a quimissorção e aumentando a transferência de carga [23,24,25]. Quando se trata de MoTe ₂ monocamada, até onde sabemos, existem poucos relatórios teóricos sobre o comportamento do doping TM em sua monocamada; entretanto, adsorção relacionada e comportamentos de detecção de MoTe dopado com TM ₂ monocamada sobre gases também são menos exploradas. Entre os elementos TM, o ródio (Rh) com forte desempenho catalítico foi demonstrado como um dopante TM desejável em outras nano-superfícies para adsorção de gás [26, 27]. Especialmente, ref. [26] investiga o comportamento de doping Rh no MoSe ₂ monocamada e seu desempenho aprimorado para adsorção de gás tóxico. A partir disso, seria interessante usar a teoria dos primeiros princípios para estudar o comportamento do doping Rh no MoTe ₂ menos explorado monocamada para comparar suas propriedades geométricas e dar uma melhor compreensão do doping Rh nos TMDs. Além disso, os desempenhos de adsorção e detecção de MoTe dopado com Rh ₂ (Rh-MoTe ₂ ) monocamada sobre três SF ₆ espécies decompostas, a saber, SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ , foram teoricamente simulados também para explorar sua aplicação potencial de detecção em algumas áreas típicas. Os comportamentos eletrônicos e ópticos de Rh-MoTe ₂ monocamada após adsorção de gás fornece os mecanismos básicos de detecção para sua exploração como um sensor de gás óptico ou do tipo resistência para realizar a detecção de SF ₆ espécies decompostas. O comportamento de dessorção verifica o potencial de Rh-MoTe ₂ monocamada como um eliminador de gás para remover esses gases nocivos em SF ₆ dispositivos de isolamento, que sob outro aspecto garantem o funcionamento seguro do sistema de potência. Este trabalho seria significativo para propor um novo material de nano-sensor e sua aplicação para avaliar o status de operação do SF ₆ dispositivos de isolamento de forma fácil e de alta eficiência.

Detalhes computacionais

Todos os resultados foram obtidos no Dmol ³ pacote [28] baseado na teoria dos primeiros princípios. O método DFT-D proposto por Grimme foi adotado [29] para melhor compreender a força de van der Waals e as interações de longo alcance. A função Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) com aproximação de gradiente generalizado (GGA) foi empregada para tratar a troca de elétrons e os termos de correlação [30]. Dupla polarização numérica mais (DNP) foi empregada como o conjunto de base orbital atômica [31]. O Monkhorst-Pack k malha de pontos de 7 × 7 × 1 foi definida para otimizações de geometria de supercélula, enquanto um k mais preciso - o ponto de 10 × 10 × 1 foi selecionado para cálculos de estrutura eletrônica [32]. A precisão da tolerância de energia, força máxima e deslocamento foram selecionados como 10 ^{- 5} Ha, 2 × 10 ^{- 3} Ha / Å, e 5 × 10 ^{- 3} Å [33], respectivamente. Para cálculos de estrutura eletrônica estática, energia de loop autoconsistente de 10 ^{- 6} Ha, o raio de corte orbital global de 5,0 Å para garantir os resultados precisos da energia total [34].

Um MoTe ₂ monocamada com supercélula de 4 × 4 e região de vácuo de 15 Å contendo átomos de 16 Mo e 32 Te foi estabelecida para realizar todo o cálculo abaixo. Foi provado que uma supercélula 4 × 4 é grande o suficiente para conduzir o processo de adsorção de gás, enquanto uma placa de 15 Å é adequada para prevenir a interação entre unidades adjacentes [35]. Além disso, o método de Hirshfeld [36] foi empregado ao longo deste trabalho para analisar a carga atômica do dopante Rh ( Q _Rh ) e carga molecular de moléculas adsorvidas ( Q _T ) Portanto, um valor positivo de Q _Rh ( Q _T ) representa que o dopante Rh (molécula de gás) é um doador de elétrons, enquanto um Q negativo _Rh ou Q _T indica o comportamento de aceitação de elétrons relacionado. Apenas as configurações mais favoráveis de Rh-MoTe ₂ os sistemas de monocamada e adsorção são traçados e analisados nas seguintes partes.

Resultados e discussão

Análise de Rh-MoTe ₂ Monocamada

Ao Rh-MoTe ₂ monocamada, quatro locais de adsorção possíveis são considerados, traçados como T _H (acima do centro do anel hexagonal de MoTe ₂ ), T _Mo (no topo do átomo de Mo), T _Te (no topo do átomo de Te), e T _B (o local da ponte entre dois átomos de Te), respectivamente. A energia de ligação ( E _b ) para doping Rh no MoTe ₂ monocamada é formulada como:
$$ {E} _ {\ mathrm {b}} ={E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} - {E} _ {\ mathrm {Rh}} - {E} _ {{\ mathrm {MoTe}} _ 2} $$ (1)
onde \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} \), E _Rh , e \ ({E} _ {{\ mathrm {MoTe}} _ 2} \) representam as energias do Rh-MoTe ₂ monocamada, átomos de Rh e MoTe original ₂ monocamada, respectivamente.

Com base nesta definição, a configuração mais estável (MSC) com o menor E _b em linha com a densidade de deformação de elétrons relacionada (EDD) de Rh-MoTe ₂ a monocamada é ilustrada na Fig. 1. Pode-se ver que o dopante Rh está preso no T _Mo local, formando três ligações covalentes com átomos de Te vizinhos na camada superior de MoTe ₂ monocamada. Três ligações Rh-Te são medidas igualmente como 2,54 Å, mais curtas do que a soma dos raios covalentes dos átomos Rh e Te (2,61 Å [37]), indicando a formação de ligações químicas para o doping Rh no MoTe ₂ camada. O E calculado _b desta configuração é - 2,69 eV, muito maior do que aqueles de - 2,14 eV para T _H local, - 1,28 eV para T _Te local, e - 2,55 eV para T _B local. É importante notar que as ligações Rh-Te em Rh-MoTe ₂ monocamadas são mais longas do que as ligações Rh-Se em Rh-MoSe ₂ monocamada e o E _b para o doping Rh é menor no MoTe ₂ superfície em comparação com a do MoSe ₂ contrapartida. Estes indicam a maior força de ligação de Rh-Se do que ligações Rh-Te. Com base no método de Hirshfeld, o dopante Rh se comporta como um aceitador de elétrons durante o processo de dopagem, que recebe 0,045 e do MoTe ₂ superfície provando seu comportamento de aceitação de elétrons em dopagem de superfície [26]. Isso está de acordo com o EDD, no qual o átomo de Rh é principalmente cercado pelo acúmulo de elétrons.

O MSC ( a ) e EDD relacionado ( b ) de Rh-MoTe ₂ monocamada. Em EDD, as áreas verdes (rosadas) indicam acúmulo de elétrons (esgotamento). A isosuperfície é 0,005 e / Å ³

A estrutura de banda (BS) e densidade de estado (DOS) de Rh-MoTe ₂ sistema são representados na Fig. 2 para entender melhor a mudança causada no comportamento eletrônico do MoTe ₂ superfície por doping Rh. É relatado que MoTe original ₂ monocamada tem um bandgap direto de 1,10 eV [38]. Na Fig. 2a, o bandgap de Rh-MoTe ₂ monocamada é obtida como 0,937 eV de acordo com os cálculos. Isso indica que o dopante Rh induz vários estados de impureza dentro do bandgap de MoTe ₂ sistema, estreitando o bandgap de todo o sistema em conformidade. Além disso, o topo da banda de valência está localizado no Г ponto e a parte inferior da banda de condução está no K ponto, implicando na propriedade semicondutora indireta para Rh-MoTe ₂ sistema. Na Fig. 2b, é visto que os estados de dopante Rh contribuem amplamente para o topo da banda de condução de MoTe ₂ prístino monocamada e formando vários novos picos DOS em torno do nível de Fermi. Esses picos aparentemente mudam o comportamento eletrônico de todo o sistema, reduzindo sua condutividade elétrica de acordo. Porque o dopante Rh está preso no T _Mo local formando ligações com átomos de Te, os átomos atômicos DOS de Rh e Te são plotados para entender o comportamento de hibridização de elétrons entre eles. Conforme mostrado na Fig. 2c, o Rh 4 d orbital é fortemente híbrido com o Te 5 p orbital de - 5 a 2 eV, responsável pela interação de ligação significativa que leva à formação de ligações químicas de Rh-Te.

a BS de Rh-MoTe ₂ monocamada; b Comparação de DOS entre MoTe original e dopado com Rh ₂ monocamada; e c DOS orbital de ligação de átomos de Rh e Te. O nível de Fermi é 0

Configurações de adsorção de gás de Rh-MoTe ₂ Monocamada

Com base na estrutura relaxada de Rh-MoTe ₂ monocamada, a adsorção de SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ moléculas em sua superfície ao redor do centro Rh são totalmente simuladas. Antes disso, as estruturas geométricas das três moléculas de gás também devem ser otimizadas, conforme mostrado no Arquivo Adicional 1:Figura S1. A energia de adsorção ( E _anúncio ) é usado para determinar a configuração mais estável de cada sistema, formulada como:
$$ {E} _ {\ mathrm {ad}} ={E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2 / \ mathrm {gas}} - {E} _ { \ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} - {E} _ {\ mathrm {gas}} $$ (2)
em que o \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2 / \ mathrm {gás}} \) e \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} \) são a energia total de Rh-MoTe ₂ monocamada antes e depois da adsorção, enquanto E _gás é a energia da molécula de gás isolada. De acordo com esta definição, o MSC com o menor E _anúncio poderiam ser identificados.

Para entender melhor o comportamento de transferência de carga durante a adsorção de gás, o EDD também é calculado para cada configuração. Informações detalhadas para SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ a adsorção pode ser vista nas Figs. 3, 4 e 5, respectivamente. Além disso, os parâmetros de adsorção, incluindo E _anúncio , transferência de carga ( Q _T ) e comprimento da ligação ( D ) estão listados na Tabela 1.

MSC ( a ) e EDD ( b ) de Rh-MoTe ₂ / SO ₂ sistema. Em EDD, as áreas verdes (rosadas) indicam acúmulo de elétrons (depleção), com isosuperfície de 0,005 e / Å ³

Igual à Fig. 3, mas para Rh-MoTe ₂ / SOF ₂ sistema

Igual à Fig. 3, mas para Rh-MoTe ₂ / SO ₂ F ₂ sistema

Para SO ₂ adsorção no Rh-MoTe ₂ monocamada, pode-se descobrir na Fig. 3 que o SO ₂ molécula é basicamente paralela ao MoTe ₂ camada com um átomo O e um átomo S preso pelo dopante Rh. Conforme listado na Tabela 1, as ligações Rh-O e Rh-S recém-formadas são medidas como 2,16 e 2,36 Å, respectivamente, indicando a forte força de ligação entre o dopante Rh e o SO ₂ molécula. Além disso, o E _anúncio é obtido como - 1,65 eV, implicando a quimissorção para o SO ₂ sistema e o Q _T é obtido como - 0,333 e implicando no comportamento de retirada de elétrons de SO ₂ . Após a adsorção, o dopante Rh é negativamente carregado em 0,017 e, o que significa que contribui com 0,028 e para o SO ₂ adsorvido e a outra parte da carga (0,305) vem do MoTe ₂ monocamada. Comparado com os parâmetros de adsorção no MoTe ₂ / SO ₂ sistema ( E _anúncio =- 0,245 eV; Q _T =- 0,086 e; D =3,44 Å [14]), pode-se inferir que o doping Rh aumenta amplamente o comportamento de reação e redistribuição eletrônica para o MoTe ₂ monocamada sobre SO ₂ adsorção, tornando o adsorvente muito desejável para a interação do gás. Além disso, as ligações S-O no SO ₂ moléculas são alongadas separadamente para 1,50 e 1,58 Å após a adsorção, desse uniforme 1,48 Å na fase gasosa; as três ligações Rh-Te no Rh-MoTe ₂ monocamada são alongadas para 2,58, 2,58 e 2,64 Å, respectivamente. Essas deformações implicam na ativação geométrica durante a adsorção tanto do nano-adsorvente quanto do adsorbato gasoso, o que confirma ainda mais a forte quimissorção aqui. A partir da distribuição de EDD, verifica-se que o SO ₂ a molécula é cercada por acúmulo de elétrons, o que está de acordo com a análise de Hirshfeld; e o acúmulo de elétrons envolve amplamente as ligações Rh-S e Rh-O, sugerindo a hibridização de elétrons na formação de novas ligações químicas.

No Rh-MoTe ₂ / SOF ₂ sistema apresentado na Fig. 4, o SOF ₂ molécula preferida para se aproximar do dopante Rh pela posição O-end e o plano feito do átomo S e dois átomos F são quase paralelos ao MoTe ₂ camada. No entanto, não há evidências óbvias que sugiram a formação de novas ligações entre o dopante Rh e SOF ₂ molécula. A distância mais próxima de Rh-O é medida em 2,25 Å, um pouco mais longa do que no SO ₂ sistema, e o SOF ₂ molécula não sofre grande deformação geométrica após a interação. Essas descobertas manifestam o desempenho de adsorção relativamente mais fraco de Rh-MoTe ₂ monocamada sobre SOF ₂ em comparação com SO ₂ . Conforme apresentado na Tabela 1, o E _anúncio é calculado como - 0,46 eV apoiando a fisiossorção novamente [39] e o Q _T é obtido como 0,040 e implicando no comportamento de doação de elétrons de SOF ₂ . De acordo com o EDD, pode-se ver que o acúmulo de elétrons está localizado principalmente na área entre o SOF ₂ molécula e dopante Rh, o que implica alguma hibridização entre eles, enquanto a depleção de elétrons no SOF ₂ molécula concorda com a análise de Hirshfeld.

Em termos do SO ₂ F ₂ sistema de adsorção, conforme ilustrado na Fig. 5, verifica-se que após a otimização, o SO ₂ F ₂ molécula tende a ser resolvida como um átomo F e um SO ₂ Grupo F. Ambos são capturados pelo dopante Rh formando uma ligação Rh-F e uma ligação Rh-S, respectivamente, com comprimento de ligação relacionado de 2,02 e 2,26 Å. As ligações recém-formadas indicam a forte força de ligação entre o dopante Rh e o SO ₂ F ₂ molécula, que combinada com a E calculada _anúncio de 2,12 eV evidenciam a natureza de quimissorção para superfície dopada com Rh no SO ₂ F ₂ adsorção, semelhante à do SO ₂ sistema. A partir do EDD, o acúmulo de elétrons está significativamente localizado no SO ₂ F ₂ molécula, de acordo com o resultado de Q _T (- 0,753 e) com base na análise de Hirshfeld. Por outro lado, um grande número de depleção de elétrons está localizado no dopante Rh e um pouco no MoTe ₂ monocamada. Em outras palavras, o dopante Rh contribui amplamente para a transferência de carga para o SO ₂ adsorvido F ₂ molécula, manifestando sua alta mobilidade de elétrons e forte reatividade química [40]. Ao mesmo tempo, a sobreposição do acúmulo de elétrons e depleção de elétrons nas ligações Rh-S e Rh-F sugere a hibridização de elétrons em sua formação.

Com base na análise da configuração e parâmetros de adsorção, pode-se concluir que o Rh-MoTe ₂ monocamada possui o melhor desempenho no SO ₂ F ₂ molécula, seguida por SO ₂ e o último vem para SOF ₂ . Enquanto isso, o dopante Rh pode afetar amplamente a distribuição de elétrons deste sistema e, portanto, alterar dramaticamente o comportamento eletrônico do Rh-MoTe ₂ monocamada.

Comportamentos eletrônicos de Rh-MoTe ₂ Monocamada após adsorção de gás

A estrutura de banda (BS) e densidade de estado (DOS) de três sistemas de adsorção são exibidos na Fig. 6 para compreender o comportamento eletrônico de Rh-MoTe ₂ monocamada na adsorção de gás. Conforme analisado acima, Rh-MoTe ₂ monocamada tem o melhor desempenho em SO ₂ F ₂ adsorção. Assim, a partir da Fig. 6 (c2), é visto que o DOS molecular de SO ₂ F ₂ experimenta deformações pronunciadas, que são integralmente deslocadas para a esquerda e alguns dos estados se combinam a um grande abaixo do nível de Fermi. Da Fig. 6 (c3) onde o orbital DOS é mostrado, é visto que o Rh 4 d orbital é altamente híbrido com o F 2 p orbital, e é um tanto híbrido com S 3 p orbital. Sob este aspecto, presume-se que a ligação Rh-F é mais forte do que a de Rh-S. No SO ₂ sistema, o Rh 4 d orbital é altamente híbrido com o O 2 p orbital e seguido pelo S 3 p orbital na Fig. 6 (a3), e pode-se também presumir que o dopante Rh tem uma força de ligação mais forte com o átomo O em vez do átomo S. Devido a tal hibridização, o DOS molecular de SO ₂ na Fig. 6 (a2) sofre deformação notável. Quanto ao SOF ₂ sistema, pode-se ver na Fig. 6 (b3) que o dopante Rh tem pouca hibridização orbital com o átomo O mais próximo, o que suporta a interação fraca para SOF ₂ adsorção.

BS e DOS de vários sistemas. (a1) - (a3) SO ₂ sistema; (b1) - (b3) SOF ₂ sistema; e (c1) - (c3) SO ₂ F ₂ sistema. No DOS, a linha de traço é o nível Fermi

Junto com a mudança de DOS orbital e molecular, todo o estado do sistema adsorvido de gás seria automaticamente alterado em comparação com o Rh-MoTe puro ₂ sistema. Da Fig. 6 (a1) - (c1) onde as BS do sistema adsorvido são retratadas, pode-se ver que a BS no SOF ₂ o sistema não apresenta deformação significativa em comparação com o Rh-MoTe isolado ₂ sistema, enquanto aqueles no SO ₂ e SO ₂ F ₂ sistema são diferentes, em que alguns novos estados emergem em torno do nível de Fermi, estreitando assim o bandgap em grande parte. Detalhadamente, o bandgap do Rh-MoTe ₂ é reduzido para 0,863, 0,913 e 0,675 eV após a adsorção de SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ , respectivamente. Isso fornece o mecanismo de detecção básico para Rh-MoTe ₂ monocamada como um possível sensor de gás do tipo resistência.

Análise orbital molecular de fronteira

Para confirmar os resultados com base na análise de BS, a teoria dos orbitais moleculares de fronteira é realizada para analisar a distribuição e as energias dos orbitais moleculares de fronteira (FMO) de Rh-MoTe isolado e adsorvido por gás ₂ superfície. O FMO contém a molécula mais ocupada (HOMO) e a orbital molecular mais baixa desocupada (LUMO), e o gap de energia entre elas pode avaliar a condutividade elétrica do sistema analisado [41]. Para obter resultados precisos das energias de FMO, a mancha nesta parte dos cálculos é definida como 10 ^{- 4} UMA. As distribuições e energias de FMO de Ru-MoTe ₂ monocamada antes e depois das adsorções de gás são descritas na Fig. 7.

Distribuições e energias de FMO em a Rh-MoTe ₂ sistema, b SO ₂ sistema, c SOF ₂ sistema e d SO ₂ F ₂ sistema

Pela Fig. 7a, pode-se observar que o HOMO e o LUMO estão localizados principalmente no dopante Rh, sugerindo sua alta reatividade no entorno. As energias de HOMO e LUMO são obtidas como - 4.885 e - 3.927 eV, respectivamente, com o bandgap calculado de 0,958 eV. Após a adsorção de três espécies de gás, como visto na Fig. 7b-d, as distribuições de FMO de Rh-MoTe ₂ superfície são atingidos por diferentes graus de deformações, onde a reação ocorre resultando na convergência da nuvem de elétrons. Junto com essas deformações, as energias do FMO mudaram de acordo. Verificou-se que as energias do FMO são diminuídas em diferentes graus após a adsorção de três gases, em que aqueles em SOF ₂ sistema experimenta as maiores reduções. No entanto, a lacuna de energia em SOF ₂ sistema sofre a menor mudança em comparação com o Rh-MoTe puro ₂ sistema. Especificamente, a lacuna de energia de Rh-MoTe ₂ monocamada (0,958 eV) é diminuída em 0,044 eV após SOF ₂ adsorção, enquanto é reduzida em 0,061 e 0,281 eV após SO ₂ e SO ₂ F ₂ adsorção, respectivamente. Estas descobertas indicam que a condutividade elétrica de Rh-MoTe ₂ a monocamada diminuirá após a adsorção de três gases e a diminuição é a mais significativa no SO ₂ F ₂ sistema, que concordam com as conclusões da análise da BS. Além disso, os gaps de energia da teoria dos orbitais moleculares de fronteira são basicamente próximos aos dos bandgaps dos resultados de BS, o que indica a boa precisão de nossos cálculos.

Detecção de propriedade de resposta e recuperação

As mudanças no bandgap de Rh-MoTe ₂ monocamada após a adsorção de gás manifestar sua mudança na condutividade elétrica na atmosfera de gás relacionada [42], que pode fornecer o mecanismo de detecção básico para a exploração de Rh-MoTe ₂ monocamada como um sensor de gás do tipo resistência. Além disso, a maior mudança na condutividade elétrica seria responsável por uma maior sensibilidade para detecção de gás. Para identificar a possibilidade de Ru-MoTe ₂ monocamada como um sensor, sua condutividade (σ) e sensibilidade ( S ) sobre três gases típicos são calculados usando as seguintes fórmulas [43, 44]:
$$ \ sigma =\ mathrm {A} \ cdot {e} ^ {\ left (- {B} _g / 2 kT \ right)} $$ (3) $$ S =\ frac {\ frac {1} { \ sigma _ {\ mathrm {gas}}} - \ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {puro}}}} {\ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {puro}}}} =\ frac { \ sigma _ {\ mathrm {pure}} \ hbox {-} {\ sigma} _ {\ mathrm {gas}}} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} $$ (4)
Na fórmula 3, A é uma constante, B _g é o bandgap do sistema analisado, k é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura de trabalho. Na fórmula 4, σ _gás e σ _puro significam respectivamente a condutividade do sistema de adsorção analisado e Rh-MoTe isolado ₂ monocamada. De acordo com essas duas fórmulas, verifica-se que o S de certa superfície poderia ser obtido apenas com seu bandgap antes e depois da adsorção de gás. Após o cálculo, as sensibilidades de Rh-MoTe ₂ monocamada sobre SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ detecção em 298 K são 76,3, 37,3 e 99,4%, respectivamente. Estas descobertas sugerem que o Rh-MoTe ₂ monocamada possui o comportamento de detecção mais admirável no SO ₂ F ₂ , seguido pelo SO ₂ e o último vem para SOF ₂ . Esta ordem está de acordo com aquelas análises de parâmetros de adsorção e comportamento eletrônico. Com base nesses resultados, é esperançoso que Rh-MoTe ₂ monocamada pode realizar detecção sensível de SO ₂ e SO ₂ F ₂ à temperatura ambiente.

A propriedade de recuperação também é importante para avaliar a reutilização do sensor de gás, e para reduzir o tempo de recuperação (τ) da dessorção de gás de certas superfícies, a técnica de aquecimento é geralmente considerada uma vez que o tempo de recuperação está relacionado à temperatura ( T ), formulado como [45] \ (\ tau ={A} ^ {- 1} {e} ^ {\ left (- {E} _a / {K} _BT \ right)} \). Nesta fórmula, A é a frequência de tentativa que se refere a 10 ¹² s ^{- 1} [46], E _a é a barreira potencial, determinada como equivalente a E _anúncio neste trabalho, e K _B é a constante de Boltzmann (8,318 × 10 ^{- 3} kJ / (mol · K)).

Com base na fórmula, o comportamento de recuperação de Rh-MoTe ₂ monocamada em 298, 448 e 598 K é retratada na Fig. 8. Pode ser visto a partir desta figura que a dessorção de SO ₂ F ₂ e SO ₂ à temperatura ambiente são extremamente difíceis, enquanto para SOF ₂ o tempo de recuperação é bastante curto devido à sua fraca força de ligação com a superfície dopada com Rh. Por meio do aquecimento, o tempo de recuperação para SO ₂ F ₂ ou SO ₂ a dessorção é acentuadamente reduzida, e quando a temperatura aumenta para 598 K, o tempo de recuperação em SO ₂ sistema (79,48 s) torna-se favorável o que permite sua reutilização em vários minutos. Isso suporta o potencial de Rh-MoTe ₂ monocamada como um sensor de gás reutilizável para detectar SO ₂ . Por outro lado, o longo tempo de recuperação para SO ₂ F ₂ dessorção a 598 K (7,24 × 10 ⁵ ) também reflete a forte quimissorção aqui. Embora continuar a aumentar a temperatura possa reduzir ainda mais o tempo de recuperação, a termoestabilidade do material de detecção e o alto consumo de energia na aplicação de detecção seriam outro problema. Considerando tudo isso, Rh-MoTe ₂ monocamada não é adequada como sensor para SOF ₂ detecção. No entanto, oferece-nos outra ideia propor Rh-MoTe ₂ monocamada como um adsorvente de gás para eliminar este gás nocivo em SF ₆ insulation devices, thus guaranteeing their safe operation. Moreover, this part of analysis from another aspect reveals the inappropriateness to explore Rh-MoTe₂ monolayer as a SO₂ F₂ sensor given the weak interaction with the surface.

Recovery time of Rh-MoTe₂ monolayer at various temperatures

Optical Behavior of Rh-MoTe₂ Monolayer upon Gas Adsorption

Given the desirable optical property of MoTe₂ monolayer, the calculation of the dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer upon gas adsorption is conducted, as displayed in Fig. 9, to illustrate its possibility as an optical gas sensor.

Dielectric function of Rh-MoTe₂ monocamada

From Fig. 9, it is seen that there have three main adsorption peaks for the isolated Rh-MoTe₂ monolayer, localizing at 148, 389, and 1242 nm, among which the former two distance are in the range of ultraviolet ray and the last one is in the range of infrared ray. After gas adsorption, the peaks in ultraviolet range suffer small deformation and that in infrared range undergoes significant deformation. Detailedly, the peak intensity at 1242 nm decreases after SOF₂ adsorption whereas increases after SO₂ and SO₂ F₂ adsorption, and the blue shift could also be identified in the SOF₂ sistema. Therefore, it could be assumed that Rh-MoTe₂ monolayer is a promising optical sensor for sensitive and selective detection of three gases by infrared device.

In short, it is worth adding that this work makes a progressive research for proposing novel nanomaterials to realize the detection of SF₆ decomposed species through various techniques, which would be significant to fulfil the evaluation of SF₆ insulation devices in an easy and high-efficiency manner.

Conclusions

In this paper, the potential application of Rh-MoTe₂ monolayer as a gas sensor for detection of SF₆ decomposed species is explored, which mainly contains two aspects:(1) Rh doping behavior on the intrinsic MoTe₂ monolayer and (2) adsorption and sensing behaviors of Rh-MoTe₂ monolayer upon SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ . It is found that the Rh dopant prefers to be doped on the MoTe₂ surface through the T_Mo site with E _b of − 2.69 eV, exerting great electron hybridization with the Te atoms. The adsorption performance of Rh-MoTe₂ monolayer upon three gases are in order as SO₂ F₂> SO₂> SOF₂ , in which chemisorption is identified in SO₂ F₂ and SO₂ systems while physisorption in SOF₂ system, as further supported by the DOS analysis. Rh-MoTe₂ monolayer is a promising resistance-type gas sensor for recycle detection of SO₂ with a response of 76.3%, is a desirable adsorbent for SO₂ F₂ removal from the SF₆ insulation device, and is promising as an optical sensor for selective detection of three gases. All in all, Rh-MoTe₂ monolayer is a potential sensing material for detection of SF₆ decomposed species. This work is meaningful to propose novel nano-sensing material and to realize the effective evaluation of SF₆ insulation devices in an easy and high-efficiency manner.

Methods Section

This work means to explore novel 2D sensing materials using first-principle theory for application in electrical engineering, through detecting the SF₆ decomposed species to evaluate the operation status of high-voltage insulation devices.