Monocamada de MoTe₂ Dopada com Rh: Sensor e Coletor Eficiente para Produtos de Decomposição do SF₆ Validados por DFT
Resumo
Neste trabalho, investigam-se os comportamentos de adsorção e detecção de monocamada de MoTe₂ dopada com ródio (Rh-MoTe₂) em relação a SO₂, SOF₂ e SO₂F₂, utilizando teoria de primeiros princípios, incluindo também o comportamento de dopagem do Rh na superfície pura de MoTe₂. Os resultados indicam que o sítio TMo é o preferido para dopagem de Rh, com energia de ligação (Eb) de −2,69 eV. Na superfície Rh-MoTe₂, SO₂ e SO₂F₂ são quimissorvidos com energias de adsorção (Ead) de −2,12 e −1,65 eV, respectivamente, enquanto SOF₂ é fisissorvido com Ead de −0,46 eV. A análise de DOS verifica o desempenho de adsorção e ilustra o comportamento eletrônico da dopagem de Rh na adsorção de gases. A estrutura de bandas e a análise de orbitais moleculares de fronteira fornecem o mecanismo básico de detecção da monocamada Rh-MoTe₂ como sensor do tipo resistivo. O comportamento de recuperação suporta o potencial da superfície dopada com Rh como sensor reutilizável de SO₂ e sugere sua exploração como coletor de gás para remoção de SO₂F₂ em dispositivos de isolamento com SF₆. A função dielétrica manifesta que a monocamada Rh-MoTe₂ é um sensor óptico promissor para detecção seletiva dos três gases. Este trabalho é benéfico para explorar a monocamada Rh-MoTe₂ como material sensor ou adsorvente de gás, garantindo a operação segura de dispositivos de isolamento com SF₆ de forma fácil e altamente eficiente.
Introdução
Dispositivos de isolamento com SF₆, em sistemas de potência de alta e ultra-alta tensão, são um dos equipamentos mais importantes e caros, exceto transformadores elétricos, para garantir a operação segura de todo o sistema. Essas contribuições atribuem-se à forte propriedade de extinção de arco e alta eletronegatividade do gás SF₆, que atua como meio isolante em tais dispositivos. No entanto, em operação prolongada, o SF₆ ainda pode se decompor em vários sulfetos de baixo teor de flúor pela potência de descarga parcial causada por defeitos internos inevitáveis do equipamento. Além disso, esses subprodutos interagem ainda mais com traços de água e oxigênio circundantes, formando compostos estáveis como SO₂, SOF₂ e SO₂F₂, que deterioram o comportamento isolante do SF₆. Portanto, a detecção dessas espécies decompostas tem sido considerada uma maneira eficaz de avaliar o status de decomposição do SF₆ e refletir o estado operacional dos dispositivos de isolamento relacionados.
Com a crescente atenção aos dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), sensores baseados em MoS₂ têm sido propostos para detecção de espécies decompostas do SF₆. Esses relatórios demonstraram a adequação e superioridade de monocamadas de MoS₂ dopadas com metais de transição (TM) para detecção de componentes como SO₂ e SOF₂. Além disso, um estudo teórico sobre as características de detecção de monocamada de MoTe₂ pura em relação a espécies decompostas do SF₆ comprova sua adequação para detecção de SO₂. Ademais, avanços recentes em deposição química de vapor (CVD) para síntese em larga escala de TMDs aceleram amplamente o desenvolvimento de monocamada de MoTe₂ para aplicações em detecção de gases. Conforme relatado, a monocamada de MoTe₂ possui mobilidade de portadores excepcional, grande comprimento de ligação e baixa energia de ligação, o que lhe confere alta sensibilidade em interações com gases à temperatura ambiente. Assim, é promissor que a monocamada de MoTe₂ seja um candidato bastante promissor para detecção de gases, e sua aplicação para detecção de espécies decompostas do SF₆ deve ser explorada mais a fundo.
É bem comprovado que nanomateriais 2D dopados com TM possuem desempenho de adsorção e detecção mais fortes em moléculas gasosas comparados a superfícies puras. Isso ocorre devido à admirável atividade química e comportamento catalítico do TM, cujo orbital d pode hibridizar fortemente com os das moléculas adsorvidas, facilitando a quimissorção e aumentando a transferência de carga. No que se refere à monocamada de MoTe₂, ao melhor de nosso conhecimento, há poucos relatórios teóricos sobre o comportamento de dopagem com TM em sua monocamada; simultaneamente, os comportamentos de adsorção e detecção de monocamada de MoTe₂ dopada com TM em relação a gases também são pouco explorados. Entre os elementos TM, o ródio (Rh) com forte desempenho catalítico tem sido demonstrado como um dopante TM desejável em outras nano-superfícies para adsorção de gases. Especialmente, a ref. [26] investiga o comportamento de dopagem de Rh na monocamada de MoSe₂ e seu desempenho aprimorado para adsorção de gases tóxicos. Sob essa perspectiva, seria interessante usar a teoria de primeiros princípios para estudar o comportamento de dopagem de Rh na monocamada de MoTe₂ menos explorada, para comparar suas propriedades geométricas e dar melhor compreensão da dopagem de Rh em TMDs. Além disso, o desempenho de adsorção e detecção de monocamada de MoTe₂ dopada com Rh (Rh-MoTe₂) em relação a três espécies decompostas do SF₆ — SO₂, SOF₂ e SO₂F₂ — foram simuladas teoricamente para explorar seu potencial de aplicação em áreas típicas. Os comportamentos eletrônicos e ópticos da monocamada Rh-MoTe₂ na adsorção de gases fornecem os mecanismos básicos de detecção para sua exploração como sensor de gás do tipo resistivo ou óptico, para realizar a detecção de espécies decompostas do SF₆. O comportamento de dessorção verifica o potencial da monocamada Rh-MoTe₂ como coletor de gás para remover esses gases nocivos em dispositivos de isolamento com SF₆, o que, sob outro aspecto, garante a operação segura do sistema de potência. Este trabalho seria significativo para propor novo material nano-sensor e sua aplicação para avaliar o estado operacional de dispositivos de isolamento com SF₆ de forma fácil e altamente eficiente.
Detalhes Computacionais
Todos os resultados foram obtidos no pacote Dmol³ baseado na teoria de primeiros princípios. O método DFT-D proposto por Grimme foi adotado para melhor compreender a força de van der Waals e interações de longo alcance. A funcional Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) com aproximação de gradiente generalizada (GGA) foi empregada para tratar os termos de troca e correlação eletrônica. A base de orbitais atômicos duplo numérica mais polarização (DNP) foi utilizada. A malha de pontos k de Monkhorst-Pack 7 × 7 × 1 foi definida para otimizações de geometria de supercélula, enquanto um k-ponto mais preciso de 10 × 10 × 1 foi selecionado para cálculos de estrutura eletrônica. A tolerância de energia, força máxima e deslocamento foram selecionados como 10−5 Ha, 2 × 10−3 Ha/Å e 5 × 10−3 Å, respectivamente. Para cálculos de estrutura eletrônica estática, energia de laço auto-consistente de 10−6 Ha, raio de corte orbital global de 5,0 Å para garantir resultados precisos de energia total.
Uma monocamada de MoTe₂ com supercélula 4 × 4 e região de vácuo de 15 Å contendo 16 átomos de Mo e 32 de Te foi estabelecida para realizar todo o cálculo. Comprovou-se que uma supercélula 4 × 4 é grande o suficiente para conduzir o processo de adsorção de gás, enquanto uma laje de 15 Å é adequada para prevenir interação entre unidades adjacentes. Além disso, o método de Hirshfeld foi empregado em todo este trabalho para analisar a carga atômica do dopante Rh (QRh) e a carga molecular das moléculas adsorvidas (QT). Portanto, um valor positivo de QRh (QT) representa que o dopante Rh (molécula de gás) é um doador de elétrons, enquanto um QRh ou QT negativo indica o comportamento de aceitação de elétrons relacionado. Apenas as configurações mais favoráveis da monocamada Rh-MoTe₂ e dos sistemas de adsorção são plotadas e analisadas nas partes seguintes.
Resultados e Discussão
Análise da Monocamada Rh-MoTe₂
Sobre a monocamada Rh-MoTe₂, quatro sítios de adsorção possíveis são considerados, denominados TH (acima do centro do anel hexagonal de MoTe₂), TMo (no topo do átomo de Mo), TTe (no topo do átomo de Te) e TB (sítio de ponte entre dois átomos de Te), respectivamente. A energia de ligação (Eb) para dopagem de Rh na monocamada de MoTe₂ é formulada como:
Eb = ERh-MoTe₂ − ERh − EMoTe₂
onde ERh-MoTe₂, ERh e EMoTe₂ representam as energias da monocamada Rh-MoTe₂, átomos de Rh e monocamada pura de MoTe₂, respectivamente.
Com base nessa definição, a configuração mais estável (CME) com o menor Eb, em linha com a densidade de deformação eletrônica (DDE) relacionada da monocamada Rh-MoTe₂, é representada na Fig. 1. Observa-se que o dopante Rh é aprisionado no sítio TMo, formando três ligações covalentes com átomos de Te vizinhos na camada superior da monocamada de MoTe₂. As três ligações Rh-Te são medidas igualmente como 2,54 Å, menores que a soma dos raios covalentes de Rh e Te (2,61 Å), indicando a formação de ligações químicas para dopagem de Rh na camada de MoTe₂. O Eb calculado desta configuração é −2,69 eV, muito maior que os de −2,14 eV para sítio TH, −1,28 eV para TTe e −2,55 eV para TB. Vale notar que as ligações Rh-Te na monocamada Rh-MoTe₂ são mais longas que as de Rh-Se na monocamada Rh-MoSe₂ e o Eb para dopagem de Rh é menor na superfície de MoTe₂ em comparação com a de MoSe₂. Isso indica a força de ligação mais forte de Rh-Se que Rh-Te. Baseado no método de Hirshfeld, o dopante Rh comporta-se como um aceitador de elétrons durante o processo de dopagem, recebendo 0,045 e da superfície de MoTe₂, provando seu comportamento de aceitação de elétrons na dopagem de superfície. Isso está de acordo com a DDE, na qual o átomo de Rh é principalmente cercado por acumulação de elétrons.
Figura 1. A CME (a) e DDE relacionada (b) da monocamada Rh-MoTe₂. Na DDE, áreas verdes (rosadas) indicam acúmulo (depleção) de elétrons. A iso-superfície é 0,005 e/ų.
A estrutura de bandas (EB) e densidade de estados (DOS) do sistema Rh-MoTe₂ são representadas na Fig. 2 para melhor entender a mudança causada no comportamento eletrônico da superfície de MoTe₂ pela dopagem de Rh. Relata-se que a monocamada pura de MoTe₂ possui um bandgap direto de 1,10 eV. Na Fig. 2a, o bandgap da monocamada Rh-MoTe₂ é obtido como 0,937 eV segundo os cálculos. Isso indica que o dopante Rh induz vários estados de impureza dentro do bandgap do sistema MoTe₂, estreitando o bandgap de todo o sistema. Além disso, o topo da banda de valência está localizado no ponto Г e o fundo da banda de condução no ponto K, implicando propriedade semicondutora indireta para o sistema Rh-MoTe₂. Na Fig. 2b, vê-se que os estados do dopante Rh contribuem largamente para o topo da banda de condução da monocamada pura de MoTe₂, formando vários novos picos de DOS ao redor do nível de Fermi. Esses picos aparentemente mudam o comportamento eletrônico de todo o sistema, reduzindo sua condutividade elétrica. Como o dopante Rh é aprisionado no sítio TMo formando ligações com átomos de Te, o DOS atômico de Rh e Te são plotados para entender o comportamento de hibridização eletrônica entre eles. Como mostrado na Fig. 2c, o orbital 4d de Rh é fortemente hibridizado com o orbital 5p de Te de −5 a 2 eV, respondendo pela interação de ligação significativa que leva à formação de ligações químicas Rh-Te.
Figura 2. a EB da monocamada Rh-MoTe₂; b comparação de DOS entre monocamadas pura e dopada com Rh de MoTe₂; e c DOS orbital de átomos de Rh e Te ligados. O nível de Fermi é 0.
Configurações de Adsorção de Gases na Monocamada Rh-MoTe₂
Baseado na estrutura relaxada da monocamada Rh-MoTe₂, a adsorção de moléculas de SO₂, SOF₂ e SO₂F₂ em sua superfície ao redor do centro de Rh são totalmente simuladas. Antes disso, as estruturas geométricas das três moléculas de gás também devem ser otimizadas, como exibido no Arquivo Adicional 1: Figura S1. A energia de adsorção (Ead) é usada para determinar a configuração mais estável de cada sistema, formulada como:
Ead = ERh-MoTe₂/gás − ERh-MoTe₂ − Egás
em que ERh-MoTe₂/gás e ERh-MoTe₂ são a energia total da monocamada Rh-MoTe₂ antes e depois da adsorção, enquanto Egás é a energia da molécula de gás isolada. Segundo essa definição, a CME com o menor Ead pode ser identificada.
Para melhor entender o comportamento de transferência de carga durante a adsorção de gás, a DDE também é calculada para cada configuração. Informações detalhadas para adsorção de SO₂, SOF₂ e SO₂F₂ podem ser vistas nas Figs. 3, 4 e 5, respectivamente. Além disso, os parâmetros de adsorção incluindo Ead, transferência de carga (QT) e comprimento de ligação (D) estão listados na Tabela 1.
Figura 3. CME (a) e DDE (b) do sistema Rh-MoTe₂/SO₂. Na DDE, áreas verdes (rosadas) indicam acúmulo (depleção) de elétrons, com iso-superfície de 0,005 e/ų.
Figura 4. Igual à Fig. 3 mas para o sistema Rh-MoTe₂/SOF₂.
Figura 5. Igual à Fig. 3 mas para o sistema Rh-MoTe₂/SO₂F₂.
Para adsorção de SO₂ na monocamada Rh-MoTe₂, vê-se na Fig. 3 que a molécula de SO₂ é basicamente paralela à camada de MoTe₂ com um átomo de O e um de S aprisionados pelo dopante Rh. Conforme listado na Tabela 1, as novas ligações Rh-O e Rh-S formadas medem 2,16 e 2,36 Å, respectivamente, indicando forte força de ligação entre o dopante Rh e a molécula de SO₂. Além disso, o Ead é obtido como −1,65 eV implicando quimissorção para o sistema de SO₂, e o QT é obtido como −0,333 e implicando comportamento de retirada de elétrons do SO₂. Após adsorção, o dopante Rh é negativamente carregado por 0,017 e, o que significa que ele contribui com 0,028 e para o SO₂ adsorvido e a outra parte da carga (0,305) vem da monocamada de MoTe₂. Comparado com os parâmetros de adsorção no sistema MoTe₂/SO₂ (Ead = −0,245 eV; QT = −0,086 e; D = 3,44 Å), pode-se inferir que a dopagem de Rh aumenta largamente o comportamento de reação e redistribuição eletrônica para a monocamada de MoTe₂ na adsorção de SO₂, tornando o adsorvente muito mais desejável para interação com gás. Além disso, as ligações S-O na molécula de SO₂ são separadamente alongadas para 1,50 e 1,58 Å após adsorção, partindo de 1,48 Å uniforme na fase gasosa; as três ligações Rh-Te na monocamada Rh-MoTe₂ são alongadas para 2,58, 2,58 e 2,64 Å, respectivamente. Essas deformações implicam ativação geométrica durante a adsorção para tanto o nano-adsorvente quanto o adsorvato gasoso, confirmando ainda mais a forte quimissorção aqui. Da distribuição de DDE, constata-se que a molécula de SO₂ é cercada por acúmulo de elétrons, o que concorda com a análise de Hirshfeld; e o acúmulo de elétrons cerca largamente as ligações Rh-S e Rh-O, sugerindo hibridização eletrônica na formação de novas ligações químicas.
No sistema Rh-MoTe₂/SOF₂ apresentado na Fig. 4, a molécula de SOF₂ prefere aproximar-se do dopante Rh pela posição de extremidade de O e o plano formado pelo átomo de S e dois átomos de F é quase paralelo à camada de MoTe₂. No entanto, não há evidência óbvia sugerindo formação de novas ligações entre o dopante Rh e a molécula de SOF₂. A distância mais próxima de Rh-O é medida como 2,25 Å, um pouco maior que a do sistema de SO₂, e a molécula de SOF₂ não sofre grande deformação geométrica após interação. Esses achados manifestam o desempenho de adsorção relativamente mais fraco da monocamada Rh-MoTe₂ em relação a SOF₂ em comparação com SO₂. Conforme apresentado na Tabela 1, o Ead é calculado como −0,46 eV suportando novamente a fisissorção e o QT é obtido como 0,040 e implicando comportamento de doação de elétrons do SOF₂. Segundo a DDE, vê-se que o acúmulo de elétrons está principalmente localizado na área entre a molécula de SOF₂ e o dopante Rh, o que implica alguma hibridização entre eles, enquanto a depleção de elétrons na molécula de SOF₂ concorda com a análise de Hirshfeld.
Em termos do sistema de adsorção de SO₂F₂, como representado na Fig. 5, constata-se que após otimização, a molécula de SO₂F₂ tende a se resolver em um átomo de F e um grupo SO₂F. Ambos são capturados pelo dopante Rh formando uma ligação Rh-F e uma ligação Rh-S, respectivamente, com comprimentos de ligação relacionados de 2,02 e 2,26 Å. As ligações recém-formadas indicam a forte força de ligação entre o dopante Rh e a molécula de SO₂F₂, que combinada com o Ead calculado de −2,12 eV evidenciam a natureza de quimissorção para a superfície dopada com Rh na adsorção de SO₂F₂, similar à do sistema de SO₂. Da DDE, o acúmulo de elétrons é significativamente localizado na molécula de SO₂F₂, em concordância com o resultado de QT (−0,753 e) baseado na análise de Hirshfeld. Por outro lado, um grande número de depleção de elétrons é localizado no dopante Rh e um pouco na monocamada de MoTe₂. Em outras palavras, o dopante Rh contribui largamente para a transferência de carga para a molécula de SO₂F₂ adsorvida, manifestando sua alta mobilidade eletrônica e forte reatividade química. Ao mesmo tempo, a sobreposição de acúmulo e depleção de elétrons nas ligações Rh-S e Rh-F sugere a hibridização eletrônica em sua formação.
Baseado na análise de configuração e parâmetros de adsorção, pode-se concluir que a monocamada Rh-MoTe₂ possui o melhor desempenho em relação à molécula de SO₂F₂, seguido por SO₂ e o último é SOF₂. Enquanto isso, o dopante Rh pode afetar largamente a distribuição eletrônica deste sistema e, portanto, alterar dramaticamente o comportamento eletrônico da monocamada Rh-MoTe₂.
Comportamentos Eletrônicos da Monocamada Rh-MoTe₂ na Adsorção de Gases
A estrutura de bandas (EB) e densidade de estados (DOS) dos três sistemas de adsorção são exibidas na Fig. 6 para compreender o comportamento eletrônico da monocamada Rh-MoTe₂ na adsorção de gases. Como analisado acima, a monocamada Rh-MoTe₂ tem o melhor desempenho na adsorção de SO₂F₂. Assim, na Fig. 6 (c2), vê-se que o DOS molecular de SO₂F₂ sofre deformações pronunciadas, que é integralmente deslocado para a esquerda e alguns dos estados se combinam em um grande abaixo do nível de Fermi. Na Fig. 6 (c3), onde o DOS orbital é mostrado, vê-se que o orbital 4d de Rh é altamente hibridizado com o orbital 2p de F, e algo hibridizado com o orbital 3p de S. Desse aspecto, presume-se que a ligação Rh-F é mais forte que a de Rh-S. No sistema de SO₂, o orbital 4d de Rh é altamente hibridizado com o orbital 2p de O e seguido pelo orbital 3p de S na Fig. 6 (a3), e também se poderia presumir que o dopante Rh tem força de ligação mais forte com o átomo de O do que com o de S. Devido a tal hibridização, o DOS molecular de SO₂ na Fig. 6 (a2) sofre deformação notável. Quanto ao sistema de SOF₂, vê-se na Fig. 6 (b3) que o dopante Rh tem pouca hibridização orbital com o átomo de O mais próximo, o que suporta a interação fraca para adsorção de SOF₂.
Figura 6. EB e DOS de vários sistemas. (a1)–(a3) sistema de SO₂; (b1)–(b3) sistema de SOF₂; e (c1)–(c3) sistema de SO₂F₂. No DOS, a linha tracejada é o nível de Fermi.
Juntamente com a mudança de DOS orbital e molecular, o estado total do sistema com gás adsorvido seria automaticamente alterado comparado com o sistema puro Rh-MoTe₂. Da Fig. 6 (a1)–(c1), onde as EB dos sistemas adsorvidos são retratadas, vê-se que a EB no sistema de SOF₂ não sofre deformação significativa em comparação com a do sistema isolado Rh-MoTe₂, enquanto as dos sistemas de SO₂ e SO₂F₂ são diferentes, nas quais alguns novos estados emergem ao redor do nível de Fermi, estreitando assim largamente o bandgap. Detalhadamente, o bandgap do Rh-MoTe₂ é reduzido para 0,863, 0,913 e 0,675 eV após adsorção de SO₂, SOF₂ e SO₂F₂, respectivamente. Isso fornece o mecanismo básico de detecção para a monocamada Rh-MoTe₂ como possível sensor de gás do tipo resistivo.
Análise de Orbitais Moleculares de Fronteira
Para confirmar os resultados baseados na análise de EB, a teoria de orbitais moleculares de fronteira é realizada para analisar a distribuição e energias de orbitais moleculares de fronteira (OMF) da superfície Rh-MoTe₂ isolada e com gases adsorvidos. O OMF contém o orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) e o orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO), e o intervalo de energia entre eles pode avaliar a condutividade elétrica do sistema analisado. Para obter resultados precisos das energias do OMF, o alargamento nesta parte dos cálculos é definido como 10−4 Å. As distribuições e energias do OMF da monocamada Rh-MoTe₂ antes e depois das adsorções de gases são descritas na Fig. 7.
Figura 7. Distribuições e energias do OMF em a sistema Rh-MoTe₂, b sistema de SO₂, c sistema de SOF₂ e d sistema de SO₂F₂.
Da Fig. 7a, observa-se que o HOMO e LUMO estão principalmente localizados no dopante Rh, sugerindo sua alta reatividade no entorno. As energias do HOMO e LUMO são obtidas como −4,885 e −3,927 eV, respectivamente, com bandgap calculado de 0,958 eV. Após adsorção das três espécies de gás, como visto na Fig. 7b–d, as distribuições do OMF da superfície Rh-MoTe₂ são afetadas com diferentes graus de deformações, onde a reação ocorre resultando na convergência da nuvem eletrônica. Juntamente com essas deformações, as energias do OMF mudaram de acordo. Constata-se que as energias do OMF diminuem em diferentes graus após adsorção dos três gases, nas quais as do sistema de SOF₂ experimentam as maiores diminuições. No entanto, o intervalo de energia no sistema de SOF₂ sofre a menor mudança em comparação com o do sistema puro Rh-MoTe₂. Especificamente, o intervalo de energia da monocamada Rh-MoTe₂ (0,958 eV) diminui em 0,044 eV após adsorção de SOF₂, enquanto é reduzido em 0,061 e 0,281 eV após adsorção de SO₂ e SO₂F₂, respectivamente. Esses achados indicam que a condutividade elétrica da monocamada Rh-MoTe₂ diminuirá após adsorção dos três gases e a diminuição é mais significativa no sistema de SO₂F₂, o que concorda com as conclusões da análise de EB. Além disso, os intervalos de energia da teoria de orbitais moleculares de fronteira são basicamente próximos aos dos bandgaps dos resultados de EB, implicando a boa precisão de nossos cálculos.
Resposta de Detecção e Propriedade de Recuperação
As mudanças no bandgap da monocamada Rh-MoTe₂ após adsorção de gases manifestam sua mudança na condutividade elétrica na atmosfera de gás relacionada, o que pode fornecer o mecanismo básico de detecção para exploração da monocamada Rh-MoTe₂ como sensor de gás do tipo resistivo. Além disso, a maior mudança na condutividade elétrica explicaria uma maior sensibilidade para detecção de gás. Para identificar a possibilidade da monocamada Rh-MoTe₂ como sensor, sua condutividade (σ) e sensibilidade (S) em relação a três gases típicos são calculadas usando as seguintes fórmulas:
σ = A · exp(−Bg / 2kT)
S = (1/σgás − 1/σpuro) / (1/σpuro) = (σpuro − σgás) / σgás
Na fórmula 3, A é uma constante, Bg é o bandgap do sistema analisado, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura de trabalho. Na fórmula 4, σgás e σpuro significam respectivamente a condutividade do sistema de adsorção analisado e da monocamada Rh-MoTe₂ isolada. Segundo essas duas fórmulas, descobre-se que o S de certa superfície pode ser obtido apenas com seu bandgap antes e depois da adsorção de gás. Após cálculo, as sensibilidades da monocamada Rh-MoTe₂ em relação à detecção de SO₂, SOF₂ e SO₂F₂ a 298 K são 76,3%, 37,3% e 99,4%, respectivamente. Esses achados sugerem que a monocamada Rh-MoTe₂ possui o mais admirável comportamento de detecção em relação a SO₂F₂, seguido por SO₂ e o último é SOF₂. Essa ordem está de acordo com as análises de parâmetros de adsorção e comportamento eletrônico. Baseado nesses resultados, é esperançoso que a monocamada Rh-MoTe₂ possa realizar detecção sensível de SO₂ e SO₂F₂ à temperatura ambiente.
A propriedade de recuperação também é importante para avaliar a reutilizabilidade do sensor de gás, e para reduzir o tempo de recuperação (τ) de dessorção de gás de certas superfícies, a técnica de aquecimento é geralmente considerada, já que o tempo de recuperação está relacionado à temperatura (T), formulado como τ = A−1 exp(−Ea / KBT). Nesta fórmula, A é a frequência de tentativa referindo-se a 1012 s−1, Ea é a barreira de potencial, determinada como equivalente a Ead neste trabalho, e KB é a constante de Boltzmann (8,318 × 10−3 kJ/(mol·K)).
Baseado na fórmula, o comportamento de recuperação da monocamada Rh-MoTe₂ a 298, 448 e 598 K é retratado na Fig. 8. Vê-se desta figura que a dessorção de SO₂F₂ e SO₂ à temperatura ambiente são extremamente difíceis, enquanto para SOF₂ o tempo de recuperação é bastante curto devido à sua força de ligação fraca com a superfície dopada com Rh. Através de aquecimento, o tempo de recuperação para dessorção de SO₂F₂ ou SO₂ é pronunciadamente reduzido, e quando a temperatura aumenta para 598 K, o tempo de recuperação no sistema de SO₂ (79,48 s) torna-se favorável, o que permite sua reutilização em vários minutos. Isso suporta o potencial da monocamada Rh-MoTe₂ como sensor de gás reutilizável para detecção de SO₂. Por outro lado, o longo tempo de recuperação para dessorção de SO₂F₂ a 598 K (7,24 × 105 s) também reflete a forte quimissorção aqui. Embora continuar a aumentar a temperatura possa reduzir ainda mais o tempo de recuperação, a termoestabilidade do material sensor e o alto consumo de energia na aplicação de detecção seriam outro problema. Dado tudo isso, a monocamada Rh-MoTe₂ não é adequada como sensor para detecção de SOF₂. No entanto, nos dá outro pensamento para propor a monocamada Rh-MoTe₂ como adsorvente de gás para coletar esse gás nocivo em dispositivos de isolamento com SF₆, garantindo assim sua operação segura. Além disso, essa parte da análise, sob outro aspecto, revela a inadequação de explorar a monocamada Rh-MoTe₂ como sensor de SO₂F₂ dada a fraca interação com a superfície.
Figura 8. Tempo de recuperação da monocamada Rh-MoTe₂ em várias temperaturas.
Comportamento Óptico da Monocamada Rh-MoTe₂ na Adsorção de Gases
Dada a desejável propriedade óptica da monocamada de MoTe₂, o cálculo da função dielétrica da monocamada Rh-MoTe₂ na adsorção de gases é conduzido, como exibido na Fig. 9, para ilustrar sua possibilidade como sensor de gás óptico.
Figura 9. Função dielétrica da monocamada Rh-MoTe₂.
Da Fig. 9, vê-se que há três picos principais de absorção para a monocamada Rh-MoTe₂ isolada, localizados em 148, 389 e 1242 nm, entre os quais os dois primeiros estão na faixa de raio ultravioleta e o último na faixa de infravermelho. Após adsorção de gás, os picos na faixa ultravioleta sofrem pequena deformação e o da faixa infravermelha sofre deformação significativa. Detalhadamente, a intensidade do pico a 1242 nm diminui após adsorção de SOF₂, enquanto aumenta após adsorção de SO₂ e SO₂F₂, e o deslocamento para o azul também pode ser identificado no sistema de SOF₂. Portanto, pode-se assumir que a monocamada Rh-MoTe₂ é um sensor óptico promissor para detecção sensível e seletiva dos três gases por dispositivo infravermelho.
Em suma, vale adicionar que este trabalho faz uma pesquisa progressiva para propor novos nanomateriais para realizar a detecção de espécies decompostas do SF₆ através de várias técnicas, o que seria significativo para cumprir a avaliação de dispositivos de isolamento com SF₆ de forma fácil e altamente eficiente.
Conclusões
Neste artigo, explora-se a aplicação potencial da monocamada Rh-MoTe₂ como sensor de gás para detecção de espécies decompostas do SF₆, que contém principalmente dois aspectos: (1) comportamento de dopagem de Rh na monocamada intrínseca de MoTe₂ e (2) comportamentos de adsorção e detecção da monocamada Rh-MoTe₂ em relação a SO₂, SOF₂ e SO₂F₂. Constata-se que o dopante Rh prefere ser dopado na superfície de MoTe₂ através do sítio TMo com Eb de −2,69 eV, exercendo grande hibridização eletrônica com os átomos de Te. O desempenho de adsorção da monocamada Rh-MoTe₂ em relação a três gases estão em ordem como SO₂F₂ > SO₂ > SOF₂, na qual quimissorção é identificada nos sistemas de SO₂F₂ e SO₂, enquanto fisissorção no sistema de SOF₂, como suportado adicionalmente pela análise de DOS. A monocamada Rh-MoTe₂ é um sensor de gás do tipo resistivo promissor para detecção reciclável de SO₂ com resposta de 76,3%, é um adsorvente desejável para remoção de SO₂F₂ do dispositivo de isolamento com SF₆, e é promissor como sensor óptico para detecção seletiva dos três gases. Em suma, a monocamada Rh-MoTe₂ é um material sensor potencial para detecção de espécies decompostas do SF₆. Este trabalho é significativo para propor novo material nano-sensor e realizar a avaliação efetiva de dispositivos de isolamento com SF₆ de forma fácil e altamente eficiente.
Seção de Métodos
Este trabalho visa explorar novos materiais de detecção 2D usando teoria de primeiros princípios para aplicação em engenharia elétrica, através da detecção de espécies decompostas do SF₆ para avaliar o estado operacional de dispositivos de isolamento de alta tensão.
Disponibilidade de Dados e Materiais
Os dados atuais não podem ser compartilhados porque ainda estão em estudo em nossa pesquisa seguinte.
Abreviações
- TMDs:
- Dicalcogenetos de metais de transição
- TM:
- Metal de transição
- CVD:
- Deposição química de vapor
- PBE:
- Perdew-Burke-Ernzerhof
- GGA:
- Aproximação de gradiente generalizada
- DNP:
- Duplo numérico mais polarização
- QRh:
- Carga atômica do dopante Rh
- QT:
- Carga molecular das moléculas adsorvidas
- Eb:
- Energia de ligação
- CME:
- Configuração mais estável
- DDE:
- Densidade de deformação eletrônica
- EB:
- Estrutura de bandas
- DOS:
- Densidade de estados
- Ead:
- Energia de adsorção
- D:
- Comprimento de ligação
- OMF:
- Orbitais moleculares de fronteira
- HOMO:
- Orbital molecular ocupado mais alto
- LUMO:
- Orbital molecular desocupado mais baixo
Nanomateriais
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