Adsorção de produtos decompostos SF6 em C3N modificado por ZnO:um estudo teórico

Resumo

SF ₆ , como um excelente meio de isolamento, é amplamente utilizado em dispositivos de isolamento de alta tensão, garantindo a operação segura do sistema de energia. No entanto, a descarga parcial inevitável em um dispositivo de longa duração causa a decomposição de SF ₆ e deteriora seu desempenho de isolamento. Neste trabalho, cálculos DFT foram realizados para estudar as propriedades de adsorção e detecção de C modificado com ZnO ₃ N (ZnO-C ₃ N) nanofolha em direção a SF ₆ produtos decompostos, a fim de propor um novo nano-candidato para avaliar o status de operação do SF ₆ dispositivos de isolamento. Investigamos primeiro a estrutura do ZnO-C ₃ N monocamada e, em seguida, simulou seu comportamento de adsorção em quatro SF ₆ típicos espécies decompostas, nomeadamente H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ . Verifica-se que o ZnO-C ₃ A monocamada N pode exibir reatividade e sensibilidade desejáveis no SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ , levando à intensa deformação das moléculas de gás e grandes energias de adsorção. Essas consequências permitem a aplicação potencial de adsorvente de gás com base em ZnO-C ₃ Monocamada N para remover gases de impureza de SF ₆ equipamento de isolamento. De acordo com a análise, é suposto que ZnO-C ₃ A monocamada N é qualificada para ser usada na manutenção da resistência do isolamento e na garantia da operação segura do sistema de energia.

Introdução

Com o rápido desenvolvimento da nanotecnologia, a aplicação de sensores baseados em novos nanomateriais está aumentando nos últimos anos. Em virtude de sua resposta rápida, baixo consumo, baixo custo e alta sensibilidade, o nano-sensor tem sido estudado exclusivamente na área médica, militar, detecção de gás e monitoramento ambiental [1,2,3,4]. O sensor do tipo resistência, como um dos sensores mais comumente usados, é preferido pelos estudiosos por causa de sua estrutura simples e mecanismo de funcionamento. No estágio inicial, o grafeno é um material atraente na detecção de gases por seu excelente desempenho físico e químico, como grande área de superfície específica, alta mobilidade de portadores e condutividade térmica favorável [5,6,7,8]. No entanto, o grafeno é limitado na aplicação de reconhecimento de gás devido à sua característica bandgap zero [9, 10], baixo desempenho na identificação de gases comuns como CO, CO ₂ , CH ₄ , N ₂ , NÃO ₂ , NH ₃ , H ₂ , e H ₂ O [11]. Posteriormente, com o esforço conjunto de estudiosos, inúmeros novos nanomateriais com as mesmas propriedades do grafeno, mas livres de bandgap zero, surgiram no campo de detecção de gás, incluindo, mas não se limitando a dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) [12,13,14 ], carbonetos e nitretos metálicos [15], semicondutores do grupo III-VI em camadas [16, 17] e nitretos do grupo III-V [18,19,20].

Entre os novos materiais semelhantes ao grafeno emergidos, C ₃ O N é sintetizado pela pirólise direta de monocristais de tri-hidrocloreto de hexaaminobenzeno ou pela polimerização de 2,3-diaminofenazina [21, 22], que tem atraído considerável atenção como um adsorvente de gás [23,24,25]. O C ₃ N é intrinsecamente um semicondutor indireto com bandgap de 0,39 eV que pode ser ajustado pela fabricação de pontos quânticos com diâmetros diferentes [22]. Na micro aparência, C ₃ N pode ser considerado uma supercélula de grafeno 2 × 2 substituída por dois átomos de nitrogênio, possuindo uma rede planar em favo de mel com seis átomos de carbono e dois átomos de nitrogênio. Como resultado dos átomos de N adicionados, o C ₃ intrínseco N mostra atividade química mais forte e maior mobilidade de portadores, mas mantém estabilidade estrutural semelhante em comparação ao grafeno, tornando o C ₃ Monocamada N uma candidata competitiva para detecção de gás [26]. Em termos de capacidade de adsorção, os pesquisadores provaram que o C ₃ intrínseco N tem excelente seletividade e sensibilidade [27] na detecção de NO ₂ e SO ₂ , enquanto para outros gases, não há efeito de adsorção óbvio. No entanto, a pesquisa deixa claro que a reatividade de superfície de C ₃ N pode ser amplamente promovido pela modificação de partículas de impureza. Por exemplo, Pashangpour e Peyghan [28] realizaram um experimento comparativo sobre a capacidade de adsorção de CO de C intrínseco e dopado ₃ N nanofolha; seus resultados ilustram que o dopante Al pode trazer uma interação de ligação muito mais forte do que o C ₃ puro N. Posteriormente, Zargham Bagheri [29] estudou teoricamente C dopado com Si ₃ N para adsorção de acetona, e é encontrado substituindo um átomo de C por um átomo de Si, a energia de adsorção pode aumentar de - 9,7 para - 67,4 kcal / mol, e a sensibilidade aumenta à medida que mais átomos de C são substituídos.

O óxido de metal é uma alternativa comumente usada na modificação de superfície para aumentar a reatividade química para interações gasosas. Como um dos semicondutores de óxido de metal, o ZnO tem um bandgap de cerca de 3,37 eV com energia de ligação excitante de cerca de 60 meV, estabilidade química, excelentes propriedades fotocatalíticas e alta atividade para alguns gases especificados [30]. De acordo com a Ref [31], o ZnO pode crescer em morfologias de nanoestruturas 0-dimensional (0D), unidimensional (1D) e bidimensional (2D), com exemplos de cada classe incluindo nanoaglomerados, nanofios / nanotubos e nanofolhas / nanofitas, respectivamente. Dada a característica de tamanho e morfologia facilmente controlados [32, 33], a nanopartícula de ZnO é um material promissor em funcionar como um dopante para melhorar o desempenho de detecção de nano-superfícies [34,35,36]. Recentemente, alguns estudiosos propuseram estudos teóricos sobre como melhorar a atividade de superfície de nanomateriais usando dopante de óxido metálico de uma única molécula. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] investigou a capacidade de adsorção do grafeno decorado com Cu e CuO sobre H ₂ S teoricamente e descobriu que a condutividade do grafeno modificado mudou significativamente em comparação com a do grafeno intrínseco após a adsorção de H ₂ S. Asadi e Vaezzadeh [38] projetaram uma folha de grafeno decorada com B e CuO para detectar H ₂ S e CO com base na teoria do funcional da densidade (DFT). A simulação nestes trabalhos foi realizada por DFT e seus códigos computacionais estendem a estrutura atômica ou molecular periodicamente com base na supercélula definida e então calculam as propriedades físicas de todo o sistema. Com base nesse método, a adsorção de um átomo ou molécula no substrato como sensor é utilizada para estudar nanoestruturas. Os relatórios anteriores nos estimulam a realizar pesquisas relacionadas e adicionais neste tópico sobre dopagem de molécula de óxido metálico único; aqui, dopamos C ₃ N com molécula de ZnO em vez de nanopartícula de ZnO como uma simplificação para explorar o efeito do ZnO na detecção de gás.

SF ₆ é um meio amplamente utilizado em disjuntores isolados a gás (GIS) com propriedades proeminentes de isolamento e extinção de arco [39]. Os inevitáveis defeitos internos do acidente, como descarga parcial (PD) em GIS, irão decompor SF ₆ a alguns sulfuretos de baixo fluoreto, como SF ₄ , SF ₃ e SF ₂ [40]. Esses subprodutos reagiriam ainda mais com o traço de umidade e oxigênio, gerando alguns produtos químicos estáveis, como H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ [41]. A confiabilidade do isolamento desses subprodutos é muito menor do que SF ₆ e sua existência irá acelerar a evolução da DP se deixada sozinha. Portanto, para garantir o funcionamento seguro do SIG, é imprescindível detectar ou varrer esses gases. Neste artigo, escolhemos ZnO como dopante e construímos o modelo de C ₃ modificado com ZnO N (ZnO-C ₃ N) monocamada para estudar seu desempenho de adsorção no SF ₆ típico espécies decompostas (H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ ) teoricamente. Ao analisar as mudanças estruturais, comportamento de transferência de elétrons, estrutura de banda e densidade de estado (DOS), o impacto do dopante ZnO na interação entre o C ₃ A superfície N e as moléculas de gás foram amplamente estudadas. O objetivo do nosso trabalho é fornecer adsorção detalhada e mecanismo de detecção de ZnO-C ₃ Monocamada N para aplicação potencial para detectar ou eliminar os gases de impureza no SF ₆ dispositivos de isolamento.

Detalhes computacionais

Todos os cálculos baseados em DFT foram realizados em Dmol ³ pacote [42]. Para descrever melhor a densidade eletrônica não uniforme do sistema realista, empregamos a aproximação de gradiente generalizado (GGA [43]) dentro da função Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) e a correção de dispersão de TS para lidar com o elétron termos de correlação de troca [44, 45]. Os pseudopotes DFT semi-core (DSSP) foram induzidos para o tratamento do núcleo e a base numérica dupla com polarização (DNP) foi escolhida como o conjunto de base orbital atômica [46]. Monkhorst-Pack k - pontos de malhas 6 × 6 × 1 foram definidos tanto na otimização geométrica quanto nos cálculos da estrutura eletrônica [47]. A tolerância de convergência de energia, força máxima e deslocamento máximo na otimização geométrica foram respectivamente definidos como 1,0 × 10 ⁻⁵ Ha, 0,002 Ha / Å e 0,005 Å [48]. Além disso, a monocamada e sua imagem vizinha foram separadas por um espaçamento de vácuo de 15 Å para evitar a interação entre elas.

Conforme ilustrado na Fig. 1, a supercélula 2 × 2 × 1 de C ₃ A monocamada N e as moléculas de gás foram estabelecidas e otimizadas antes do processo de dopagem e adsorção. A ligação C-N (1,422 Å) na monocamada otimizada é ligeiramente mais longa do que a ligação C-C (1,418 Å) como consequência do raio maior do átomo N em comparação com o átomo C. A constante de rede obtida neste trabalho é 4,92 Å, semelhante aos resultados relatados na Ref. [25, 49]. Calculamos a transferência de carga entre a molécula e a monocamada por análise de Hirshfeld e definimos Q _T para representar a mudança de carga na molécula do gás. Um Q positivo _T indica o comportamento de liberação de elétrons da molécula do gás. Ao contrário, sugere o comportamento de recebimento de elétrons da molécula do gás.

Estrutura otimizada de C ₃ Monocamada N, H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂

Resultados e discussão

Análise de C modificado por ZnO ₃ Monocamada N

Após a otimização geométrica, o ZnO foi colocado na superfície de C ₃ N monocamada em diferentes orientações e posições para explorar a configuração mais razoável de ZnO-C ₃ N. De acordo com a Fig. 2a, a partícula de ZnO está se aproximando de C ₃ N monocamada até a vertical (O ₁ , O ₂ ) e paralelo (O ₃ ) orientações para o plano na posição do centro da estrutura hexagonal (P _H1 , P _H2 ), o ponto médio das ligações C-C e C-N (P _B1 , P _B2 ), e logo acima do átomo C (P _C ) e átomo de N. Definimos a energia de formação ( E _formulário ) para avaliar a estabilidade de ZnO-C ₃ Monocamada N, calculada da seguinte forma:
$$ {E} _ {\ mathrm {form}} ={E} _ {\ mathrm {ZnO} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} - {E} _ {\ mathrm {ZnO}} - {E} _ {{\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} $$ (1)

a As posições e orientações de aproximação da molécula de ZnO. b A configuração mais estável do ZnO-C ₃ N

onde E _ZnO e \ ({E} _ {{\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} \) são a energia da molécula ZnO e C ₃ N monocamada antes do doping, e \ ({E} _ {\ mathrm {ZnO} - {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} \) é a energia de ZnO-C ₃ Estrutura N. Quando a "ligação" de curto alcance entre os átomos ocorre na estrutura atômica estendida, a energia total é reduzida e resultando em um E negativo _formulário [50]; a estrutura com o maior E _formulário é selecionado para adsorção e análise posterior.

Todas as configurações de ZnO-C ₃ Monocamadas N são exibidas na Figura S1, S2, S3. Estes resultados demonstram que a maioria das estruturas com grandes E _formulário estão em O ₂ orientação e a partícula ZnO preferem se aproximar de C ₃ Superfície N pela posição O-orientada e aprisionada por um átomo C. Além disso, cada processo de modificação neste estudo é espontâneo, uma vez que o E _formulário é negativo e o máximo E _formulário é obtido colocando a partícula ZnO em S _C em O ₂ orientação. Como pode ser visto na Fig. 2b, a molécula diatômica está ligada a C ₃ N com uma inclinação de 40 °. A ligação Zn-O é alongada de 1,733 Å a 2,182 Å e a ligação C-O é medida como 1,338 Å. Sob o efeito de ZnO, a superfície de C ₃ N não é mais plano, mas ocorre um certo grau de distorção e, enquanto isso, o átomo de C mais próximo do átomo de O é puxado para fora da superfície. Para uma discussão mais aprofundada do comportamento eletrônico do ZnO-C ₃ Na monocamada N, a densidade de carga de deformação (DCD) e a densidade de estado (DOS) estão representadas na Fig. 3. Na Fig. 3a, a região vermelha corresponde a um aumento na densidade de carga e a diminuição é representada em azul. Quando a molécula de ZnO é adsorvida, ela extrai 0,255 e do C ₃ Uma monocamada N e uma área vermelha distinta podem ser reconhecidas em torno do átomo O. Enquanto o átomo de Zn está rodeado por uma área azul, significando a diferença na eletronegatividade entre o átomo de O e o átomo de Zn. Além disso, o aumento significativo da densidade de carga entre o átomo O e o átomo C sugere a formação da ligação C-O que também pode ser suportada pela hibridização intensa entre os estados do orbital O 2p e o do orbital C2p, conforme mostrado na Fig. 3c. A partir da curva do DOS na Fig. 3b, é óbvio que a introdução do ZnO leva a um aumento no DOS sistêmico e ao aparecimento de vários novos picos. Pode-se identificar que os novos pequenos picos emergidos são contribuídos pelo átomo O em cerca de - 2,5 eV e o maior localizado em - 5,6 eV aparentemente resultou do orbital Zn 3d. As mudanças no DOS e a hibridização entre orbitais confirmaram o fato de que a partícula de ZnO foi firmemente adsorvida na superfície de C ₃ N e teve grande impacto na estrutura eletrônica de todo o sistema.

a DCD e b , c DOS e PDOS de ZnO-C ₃ N monocamada

Comportamento de adsorção de ZnO-C ₃ Monocamada N

Para comparar completamente os parâmetros de adsorção possíveis e selecionar a configuração mais desejável para análise, colocamos cada molécula de gás acima da superfície de ZnO-C ₃ N monocamada em várias orientações. Por exemplo, para moléculas triatômicas, nomeadamente H ₂ S e SO ₂ , fizemos o plano composto dos três átomos paralelos ou verticais à superfície com o átomo S para cima ou para baixo. A energia de adsorção ( E _anúncios ) é empregado para descrever as mudanças de energia de diferentes estruturas de adsorção e calculadas como
$$ {E} _ {\ mathrm {ads}} ={E} _ {\ mathrm {ZnO} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N} / \ mathrm {gas}} - {E} _ {\ mathrm {ZnO} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} - {E} _ {\ mathrm {gas}} $$ (2)
onde E _gás e \ ({E} _ {\ mathrm {ZnO} - {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} \) são a energia da molécula de gás isolada e o ZnO-C ₃ N monocamada antes da adsorção, \ ({E} _ {\ mathrm {ZnO} - {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N} / \ mathrm {gas}} \) representa a energia do sistema com gás adsorvido. Após ter sido obtida a energia total mínima local de cada situação, apenas a estrutura com o máximo E _anúncios foi escolhido para uma discussão mais aprofundada, conforme apresentado na Fig. 4, e a diferença de densidade de elétrons (EDD) é retratada na Fig. 5 para melhor compreensão do mecanismo de transferência de carga.

A configuração de adsorção de a H ₂ Sistema S, b SO ₂ sistema, c SOF ₂ sistema e d SO ₂ F ₂ sistema

O EDD de a H ₂ Sistema S, b SO ₂ sistema, c SOF ₂ sistema e d SO ₂ F ₂ sistema

O H ₂ O sistema de adsorção S é dado na Fig. 4a, em que H ₂ A molécula S é adsorvida na posição paralela e a distância atômica mais próxima entre H ₂ molécula (átomo H) e dopante ZnO (átomo O) é medido como 2,042 Å. A ligação H-S do átomo de captura H é alongada para 1,374 Å em comparação com 1,357 Å em seu estado isolado, enquanto o outro H-S permanece inalterado durante o processo de adsorção. A ligeira deformação da configuração geométrica sugere a interação entre H ₂ Molécula S e ZnO-C ₃ A monocamada N é fraca. Combinado com o E _anúncios (- 0,444 eV) e Q _T (- 0,077 e), é claro que H ₂ A molécula S não pode aderir de forma estável ao ZnO-C ₃ Monocamada N; assumimos que ZnO-C ₃ A monocamada N é inadequada para detectar H ₂ S. Para o SO ₂ molécula mostrada na Fig. 4b, ambos os átomos de O são capturados pelo átomo de Zn com a distância de 2,020 e 2,031 Å, respectivamente. A partícula de ZnO se curva mais perto da superfície e o ângulo formado por Zn-O-C é reduzido de 129 para 118 ° devido à presença de SO ₂ . Ao mesmo tempo, a partir da análise de Hirshfeld, descobrimos que o átomo S atua como um doador de elétrons com uma perda de 0,164 e e seu efeito de adsorção aos átomos de O é enfraquecido, resultando na extensão das ligações SO de 1,481 a 1,619 Å [ 51]. Inversamente, a força interatômica fortalecida, por causa do aumento do elétron (0,292 e) no átomo O de ZnO, encurtou a ligação Zn-O de 2,182 para 1,869 Å. Além das variações geométricas e da transferência de elétrons, o E _anúncios até - 1.222 eV é outra evidência de forte interação durante o processo de adsorção, indicando a aplicação potencial de ZnO-C ₃ N monocamada na detecção de SO ₂ . Quanto ao SOF ₂ e SO ₂ F ₂ sistema de adsorção dado na Fig. 4c e d, pode ser visto que as moléculas alvo sofreram mudanças dramáticas na morfologia. O átomo F em SOF ₂ se livra da restrição da ligação S-F e adsorvida pelo átomo de Zn a uma distância de 1.830 Å. Uma mudança ainda mais drástica pode ser observada em SO ₂ F ₂ onde ambas as ligações S-F quebraram e formaram ligações Zn-F com comprimentos de 1,802 e 1,883 Å. Além da formação da ligação Zn-F, o grupo SOF restante no SOF ₂ sistema também é capturado pelo átomo de Zn através da ligação Zn-O. Mas no caso de SO ₂ F ₂ sistema, é interessante notar que o SO ₂ grupo gerado pela decomposição de SO ₂ F ₂ não é capturado, mas mantém uma distância do átomo de Zn, e com suas ligações S-O calculadas da mesma forma que o isolado SO ₂ em comprimento. A deformação pronunciada das moléculas de gás está associada ao grande E _anúncios calculado tão grande quanto - 1.683 eV em SOF ₂ sistema e - 3,497 eV em SO ₂ F ₂ sistema. Com base nisso, a adsorção de SOF ₂ e SO ₂ F ₂ para ZnO-C ₃ N pode ser determinado como forte quimissorção acompanhada por uma grande quantidade de transferência de carga neste processo, indicando a possível existência de hibridização orbital de elétrons significativa. Com o grande E _anúncios e Q _T , ZnO-C ₃ N monocamada pode fornecer adsorção mais estável para SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ do que outros nanomateriais, conforme listado na Tabela 1, a configuração de adsorção de ZnO-C ₃ A monocamada N é maior do que os nanomateriais listados em 0,358–3,281 eV e 0,038–0,811 e, garantindo o desempenho de adsorção deste material quando usado na detecção de gás, enquanto especulamos que é difícil para essas moléculas de gás (SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ ) para se livrar da forte força de interação como consequência dos grandes anúncios E . Portanto, a fim de evitar a degradação do desempenho causada pelo envenenamento do sensor, medidas como recozimento de alta temperatura ou radiação ultravioleta devem ser tomadas para melhorar o desempenho de dessorção do ZnO-C ₃ Monocamada N. A análise de desempenho de dessorção específica será fornecida na seção “Avaliação de desempenho de detecção de gás”.

Em termos do EDD mostrado na Fig. 5, a parte azul indica a região de acumulação de elétrons e a outra parte em roxo é a região de depleção de elétrons. Para H ₂ Sistema S, uma pequena região de acumulação pode ser encontrada entre o átomo H e o átomo O, enquanto a maioria das regiões de acumulação e depleção estão localizadas em torno do H ₂ Molécula S, sugerindo a pequena transferência de carga e a redistribuição de orbitais moleculares em H ₂ Molécula S. No SO ₂ No sistema de adsorção, existem regiões de depleção óbvias que circundam o átomo S e o átomo Zn, enquanto as regiões de acumulação são principalmente distribuídas em torno dos átomos O e acima do átomo S. Este fenômeno confirma o papel do receptor de elétrons do SO ₂ molécula, de acordo com o Q _T (- 0,426 e) obtido da análise de Hirshfeld. Em SOF ₂ e SO ₂ F ₂ sistemas, a julgar pela grande escala de regiões de acumulação e depleção, há transferências de carga e hibridização de elétrons notáveis em ambos os sistemas. As regiões de acumulação são distribuídas entre os átomos do gás alvo, enquanto as regiões de depleção estão localizadas principalmente em torno do átomo de Zn, refletindo a propriedade distinta de doação de elétrons do átomo de Zn. Como resultado, esses comportamentos eletrônicos pressupõem que o ZnO-C ₃ A monocamada N tem forte adsorção às moléculas de gás mais persuasivas.

Propriedades eletrônicas de ZnO-C ₃ N Monocamada na Adsorção de Gás

Conforme relatado em grafeno- [56], SWCNT- [57] e MoSe ₂ - [58] com base em pesquisas de sensoriamento de gás, DOS é outro parâmetro importante na investigação do comportamento eletrônico entre gases e nanoestrutura. Pode ser visto na Fig. 6a que a redistribuição dos orbitais moleculares em H ₂ S está de acordo com a conclusão derivada do EDD na Fig. 5a. A hibridização entre os orbitais H 1s e O 2p está disponível perto de - 4 e - 6 eV, mas em baixo grau, demonstrando a interação fraca e a pequena possibilidade de formar uma nova ligação H-O. Quanto ao SO ₂ sistema na Fig. 6c, o orbital anti-aderente move-se ligeiramente próximo ao nível de Fermi e parte dos orbitais se transforma de separação em conexão, manifestando a aparente redistribuição da estrutura eletrônica em SO ₂ molécula. Para a interação entre os átomos na Fig. 6d, os orbitais O 2p, Zn 4s e Zn 3d são encontrados hibridizados em vários níveis de energia, como - 6, - 4 e - 2 eV. A hibridização significa a forte interação química entre o átomo de O e o átomo de Zn e efetivamente suporta a formação da ligação Zn-O, conforme calculado na estrutura otimizada. No SO ₂ F e SO ₂ F ₂ sistema, devido à deformação dramática na estrutura, os orbitais moleculares são fortemente ativados e redistribuídos com muitos orbitais novos formados. Os orbitais F 2p e O 2p em SOF ₂ são intensamente hibridizados com os orbitais Zn 4s e 3d em - 8, - 7 e + 3 eV. A hibridização entre átomos de F e átomos de Zn pode ser identificada próximo a - 7, - 5 e + 3,5 eV. A aparente hibridização entre o átomo de Zn e os átomos F, O aprisionados é a evidência da formação de ligações químicas estáveis, ou seja, as ligações Zn-F e Zn-O, o que pode ser uma explicação para o forte efeito de adsorção entre ZnO-C ₃ Monocamada N e os dois gases. Combinado com os resultados obtidos de quatro sistemas de adsorção, exceto para H ₂ Molécula S, as outras três moléculas (SO ₂ , SO ₂ F e SO ₂ F ₂ ) pode ser firmemente adsorvido quando exposto ao ZnO-C ₃ Monocamada N. Essa conclusão comprova que a substância tem potencial aplicação na remoção de gases em equipamentos de alta tensão.

DOS e PDOS da molécula de gás adsorvida em ZnO-C ₃ Monocamada N. a , b H ₂ Sistema S. c , d SO ₂ sistema. e , f SOF ₂ sistema. g , h SO ₂ F ₂ sistema

Avaliação de desempenho de detecção de gás

Para alcançar a detecção de gás, uma mudança moderada na condutividade é necessária para dispositivos do tipo resistivo pós-adsorção. A condutividade de um determinado sistema está relacionada ao seu bandgap de acordo com a seguinte equação [59]:
$$ \ sigma =A \ vezes {e} ^ {- {E} _g / 2 {k} _BT} $$ (3)
onde A é uma certa constante, k _B é a constante de Boltzmann (8,62 × 10 ⁻⁵ eV K ⁻¹ ) e T é a temperatura. Uma relação inversamente proporcional pode ser reconhecida entre a condutividade e o bandgap, quanto maior o bandgap, mais difícil é para o elétron cruzar a banda proibida. A Figura 7a demonstra que o bandgap em ZnO-C ₃ A monocamada N é muito pequena, 0,168 eV, que é menos da metade do bandgap no C ₃ puro N (0,39 eV), enquanto as propriedades do semicondutor e bandgap indireto permanecem as mesmas que podem ser julgadas a partir da localização diferente da parte inferior da banda de condução (M) e do topo da banda de valência (Γ). Com relação ao bandgap dos sistemas de adsorção, diferentes variações podem ser encontradas na Fig. 7b-d. Em H ₂ No sistema S, o bandgap diminui para 0,125 eV devido ao movimento descendente na parte inferior da banda de condução. Em outros sistemas, o novo nível de impureza que aparece no topo da banda de valência encontra-se com o nível de Fermi próximo ao ponto M e resulta no bandgap zero desses sistemas, o que pode ser considerado forte dopagem do tipo p para o ZnO-C ₃ Monocamada N [43, 60]. Embora a natureza semicondutora das estruturas adsorvidas possa ser coberta por sua propriedade semelhante a um metal de zero bandgap [61], o zero bandgap pode fornecer um aumento visível na condutividade. É muito significativo melhorar o desempenho de resposta dos dispositivos baseados em ZnO-C ₃ Monocamada N. Para amplificar uma análise mais aprofundada da resposta ( R ) desempenho, aqui, nós o calculamos com base na seguinte equação [62]:
$$ R =\ frac {\ left | \ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} - \ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} \ right |} {\ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {puro}}}} =\ left | \ frac {\ sigma _ {\ mathrm {puro}} - {\ sigma} _ {\ mathrm {gas}}} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} \ right | $$ (4)

Estrutura da banda de a ZnO-C ₃ N monocamada, b H ₂ Sistema S, c SO ₂ sistema, d SOF ₂ sistema e e SO ₂ F ₂ sistema

onde σ _puro e σ _gás representam a condutividade do ZnO-C ₃ Sistema N antes e depois da adsorção, respectivamente. De acordo com os cálculos, o R para o H ₂ Sistema S e os três sistemas restantes são 0,567 e 0,962, ou seja, a condutividade aumentaria em 56,7% e 96,2% quando a adsorção ocorre na superfície de ZnO-C ₃ Monocamada N; neste caso, é possível detectar a existência desses gases.

O tempo de recuperação ( τ ) é outro parâmetro importante para estimar a propriedade de sensores usados na detecção de gás, que indica o tempo gasto na remoção das moléculas de gás adsorvido. Ao revisar a literatura, τ poderia ser calculado pela equação de Van't Hoff Arrhenius [63]:
$$ \ tau ={F} ^ {- 1} {e} ^ {- {E} _ {\ mathrm {a}} / {k} _ {\ mathrm {B}} T} $$ (5)
onde F é a frequência de tentativa e definida como 10 ¹² s ⁻¹ neste estudo. E _a é a barreira de energia para dessorção, que é considerada igual ao valor de E _anúncios aqui, k _B e T são definidos da mesma forma que na Eq. (3). Da Eq. (5), a dessorção para os gases adsorvidos seria mais difícil, pois o E _anúncios ficando maior, mas também pode ser controlado aumentando a temperatura de trabalho.

A Tabela 2 lista o tempo de recuperação necessário para que os quatro gases sejam removidos da superfície do ZnO-C ₃ Monocamada N. Para o H ₂ Molécula S, a pequena E _anúncios sem dúvida reflete a barreira de baixa energia para dessorção, consequentemente, causando o tempo extra curto de recuperação em microssegundos. Nesse ínterim, para os sistemas com maior E _anúncios , parece impossível separar a molécula de gás da superfície na temperatura de trabalho, pois a dessorção leva vários dias. Quando atinge 498 K e 598 K, o que raramente pode ocorrer no equipamento elétrico, o processo de dessorção pode ser acelerado para a escala de minutos para SO ₂ e SOF ₂ , respectivamente. A adsorção extremamente forte entre as moléculas de gás (SO ₂ , SOF ₂ e SO ₂ F ₂ ) e a superfície revela o potencial de aplicação do ZnO-C ₃ Monocamada N como um eliminador de gás para remover o SF ₆ decompor espécies e manter o bom estado de isolamento dentro do sistema de potência. Além disso, na estrutura real, dada a grande quantidade de nanocristais de ZnO em C ₃ N, espera-se que o efeito seja substancialmente aumentado. Além disso, comparando com a configuração original, a atividade dos gases liberados pelo ZnO-C ₃ 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 F ₂ ) 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.

Conclusões

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 F ₂ , were obtained by analysing the E _anúncios , 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 F ₂ 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.