Adsorpsi Produk Terurai SF6 pada C3N Modifikasi ZnO:Studi Teori

Abstrak

SF₆ , sebagai media insulasi yang luar biasa, banyak digunakan dalam perangkat insulasi tegangan tinggi, menjamin pengoperasian sistem tenaga yang aman. Namun demikian, pelepasan sebagian yang tak terhindarkan dalam perangkat yang berjalan lama menyebabkan dekomposisi SF₆ dan memperburuk kinerja isolasinya. Dalam karya ini, perhitungan DFT dilakukan untuk mempelajari sifat penyerapan dan penginderaan dari C₃ yang dimodifikasi ZnO. N (ZnO-C₃ N) nanosheet menuju SF₆ produk yang terurai, untuk mengusulkan kandidat nano baru untuk mengevaluasi status operasi SF₆ perangkat isolasi. Kami pertama menyelidiki struktur ZnO-C₃ N monolayer dan kemudian mensimulasikan perilaku adsorpsinya pada empat SF₆ typical spesies yang membusuk, yaitu H₂ S, JADI₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂ . Ditemukan bahwa ZnO-C₃ N monolayer dapat menunjukkan reaktivitas dan sensitivitas yang diinginkan pada SO₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂ , menyebabkan deformasi intens molekul gas dan energi adsorpsi yang besar. Konsekuensi ini memungkinkan aplikasi potensial dari adsorben gas berbasis ZnO-C₃ N monolayer untuk menghilangkan gas pengotor dari SF₆ peralatan isolasi. Berdasarkan hasil analisis, diduga ZnO-C₃ N monolayer memenuhi syarat untuk digunakan dalam menjaga kekuatan insulasi dan memastikan pengoperasian sistem tenaga yang aman.

Pengantar

Dengan pesatnya perkembangan nanoteknologi, aplikasi sensor berdasarkan bahan nano baru meningkat dalam beberapa tahun terakhir. Berdasarkan respon cepat, konsumsi rendah, biaya rendah, dan sensitivitas tinggi, nano-sensor telah dipelajari secara eksklusif di bidang medis, militer, deteksi gas dan pemantauan lingkungan [1,2,3,4]. Sensor tipe resistansi, sebagai salah satu sensor yang paling umum digunakan, disukai oleh para ahli karena struktur dan mekanisme kerjanya yang sederhana. Pada tahap awal, graphene merupakan bahan yang menarik dalam pendeteksian gas karena kinerjanya yang sangat baik secara fisik dan kimia, seperti luas permukaan spesifik yang besar, mobilitas pembawa yang tinggi, dan konduktivitas panas yang baik [5,6,7,8]. Namun, graphene terbatas dalam penerapan pengenalan gas karena karakteristik celah pita nol [9, 10], berkinerja buruk dalam mengidentifikasi gas umum seperti CO, CO₂ , CH₄ , N₂ , TIDAK₂ , NH₃ , H₂ , dan H₂ O [11]. Setelah itu, dengan upaya bersama para ilmuwan, banyak nanomaterial baru dengan sifat yang sama dengan graphene tetapi bebas dari celah pita nol telah bermunculan di bidang penginderaan gas, termasuk tetapi tidak terbatas pada dichalcogenides logam transisi (TMDs) [12,13,14] ], karbida logam dan nitrida [15], semikonduktor golongan III-VI berlapis [16, 17], dan nitrida golongan III-V [18,19,20].

Di antara bahan baru seperti graphene yang muncul, C₃ N disintesis oleh pirolisis langsung kristal tunggal heksaaminobenzena trihidroklorida atau polimerisasi 2, 3-diaminofenazin [21, 22], yang telah menarik banyak perhatian sebagai penyerap gas [23,24,25]. C₃ N secara intrinsik merupakan semikonduktor tidak langsung dengan celah pita 0,39 eV yang dapat disetel dengan fabrikasi titik-titik kuantum dengan diameter berbeda [22]. Dalam tampilan mikro, C₃ N dapat dianggap sebagai supercell graphene 2 × 2 yang disubstitusi oleh dua atom nitrogen, memiliki kisi sarang lebah planar dengan enam atom karbon dan dua atom nitrogen. Sebagai hasil dari penambahan atom N, C₃ intrinsic intrinsik N menunjukkan aktivitas kimia yang lebih kuat dan mobilitas pembawa yang lebih tinggi tetapi menjaga stabilitas struktural yang sama dibandingkan dengan graphene, membuat C₃ N monolayer kandidat kompetitif untuk deteksi gas [26]. Dalam hal kemampuan adsorpsi, para peneliti telah membuktikan bahwa C₃ . intrinsik N memiliki selektivitas dan sensitivitas yang sangat baik [27] dalam mendeteksi NO₂ dan SO₂ , sedangkan untuk gas lainnya, tidak ada efek adsorpsi yang jelas. Namun demikian, penelitian memperjelas bahwa reaktivitas permukaan C₃ N sebagian besar dapat dipromosikan oleh modifikasi partikel pengotor. Misalnya, Pashangpour dan Peyghan [28] melakukan percobaan perbandingan kemampuan adsorpsi CO dari C₃ intrinsik dan doping. N nanosheet; hasil mereka menggambarkan bahwa Al dopan dapat menghasilkan interaksi pengikatan yang jauh lebih kuat daripada C₃ murni. N. Kemudian, Zargham Bagheri [29] secara teoritis mempelajari C₃ yang didoping Si N untuk adsorpsi aseton, dan ditemukan dengan mengganti atom C dengan atom Si, energi adsorpsi dapat meningkat dari 9,7 menjadi 67,4 kkal/mol, dan sensitivitas meningkat dengan semakin banyak atom C yang tersubstitusi.

Oksida logam adalah alternatif yang umum digunakan dalam modifikasi permukaan untuk meningkatkan reaktivitas kimia untuk interaksi gas. Sebagai salah satu semikonduktor oksida logam, ZnO memiliki celah pita sekitar 3,37 eV dengan energi ikat yang menarik sekitar 60 meV, stabilitas kimia, sifat fotokatalitik yang sangat baik, dan aktivitas tinggi untuk beberapa gas tertentu [30]. Menurut Ref [31], ZnO dapat tumbuh pada morfologi struktur nano 0-dimensi (0D), 1-dimensi (1D), dan 2-dimensi (2D), dengan contoh masing-masing kelas antara lain nanocluster, nanowires/nanotubes, dan nanosheets/ nanoribbons, masing-masing. Mengingat karakteristik ukuran dan morfologi yang mudah dikontrol [32, 33], nanopartikel ZnO adalah bahan yang menjanjikan dalam bekerja sebagai dopan untuk meningkatkan kinerja penginderaan permukaan nano [34,35,36]. Baru-baru ini, beberapa sarjana telah mengusulkan studi teoritis pada peningkatan aktivitas permukaan bahan nano dengan menggunakan dopan oksida logam molekul tunggal. E. Mohammadi-Manesh dkk. [37] menyelidiki kemampuan adsorpsi graphene yang dihias Cu- dan CuO pada H₂ S secara teoritis dan menemukan konduktivitas dari graphene yang dimodifikasi berubah secara signifikan dibandingkan dengan graphene intrinsik setelah adsorpsi H₂ S. Asadi dan Vaezzadeh [38] merancang lembaran graphene yang dihias dengan B- dan CuO untuk mendeteksi H₂ S dan CO berdasarkan teori fungsi densitas (DFT). Simulasi dalam pekerjaan ini dilakukan oleh DFT dan kode komputasinya memperluas struktur atom atau molekul secara berkala berdasarkan supercell yang ditentukan dan kemudian menghitung sifat fisik seluruh sistem. Berdasarkan metode ini, adsorpsi atom atau molekul pada substrat sebagai sensor digunakan untuk mempelajari struktur nano. Laporan di atas mendorong kami untuk melakukan penelitian terkait dan lebih lanjut tentang topik ini tentang doping molekul oksida logam tunggal; di sini, kami menggunakan C₃ N dengan molekul ZnO sebagai pengganti ZnO nanopartikel sebagai penyederhanaan untuk mengeksplorasi pengaruh ZnO pada sensor gas.

SF₆ adalah media yang banyak digunakan dalam gas insulated switchgear (GIS) dengan sifat isolasi dan pemadam busur api yang menonjol [39]. Cacat dalam kecelakaan yang tak terhindarkan, seperti pelepasan sebagian (PD) di GIS, akan menguraikan SF₆ untuk beberapa sulfida fluorida rendah seperti SF₄ , SF₃ , dan SF₂ [40]. Produk sampingan ini selanjutnya akan bereaksi dengan sedikit uap air dan oksigen, menghasilkan beberapa bahan kimia yang stabil seperti H₂ S, JADI₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂ [41]. Keandalan isolasi produk sampingan ini jauh lebih rendah daripada SF₆ dan keberadaan mereka akan mempercepat evolusi PD jika dibiarkan. Oleh karena itu, untuk menjamin operasi yang aman dari GIS, penting untuk mendeteksi atau menyapu bersih gas-gas ini. Dalam makalah ini, kami memilih ZnO sebagai dopan dan membangun model C₃ termodifikasi ZnO. N (ZnO-C₃ N) monolayer untuk mempelajari kinerja adsorpsinya pada SF₆ typical spesies yang membusuk (H₂ S, JADI₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂ ) secara teoritis. Dengan menganalisis perubahan struktur, perilaku transfer elektron, struktur pita, dan densitas keadaan (DOS), pengaruh dopan ZnO pada interaksi antara C₃ N permukaan dan molekul gas dipelajari secara komprehensif. Tujuan dari pekerjaan kami adalah untuk memberikan detail mekanisme adsorpsi dan penginderaan ZnO-C₃ N monolayer untuk aplikasi potensial untuk mendeteksi atau mengais gas pengotor di SF₆ perangkat isolasi.

Detail Komputasi

Semua perhitungan berdasarkan DFT dilakukan di Dmol³ paket [42]. Demi lebih menggambarkan kerapatan elektron non-seragam sistem realistis, kami menggunakan pendekatan gradien umum (GGA [43]) dalam fungsi Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) dan koreksi dispersi TS untuk menangani elektron istilah pertukaran-korelasi [44, 45]. Pseudopot semi-inti DFT (DSSP) diinduksi untuk perawatan inti dan basis numerik ganda dengan polarisasi (DNP) dipilih sebagai set basis orbital atom [46]. Paket Monkhorst k -poin dari 6 × 6 × 1 jerat didefinisikan baik dalam optimasi geometris dan perhitungan struktur elektronik [47]. Toleransi konvergensi energi, gaya maksimum, dan perpindahan maksimum dalam optimasi geometris masing-masing ditetapkan sebagai 1,0 × 10⁻⁵ Ha, 0,002 Ha/Å, dan 0,005 Å [48]. Selain itu, lapisan tunggal dan gambar tetangganya dipisahkan oleh jarak vakum 15 Å untuk menghindari interaksi di antara keduanya.

Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1, supersel 2 × 2 × 1 dari C₃ N monolayer dan molekul gas dibentuk dan dioptimalkan sebelum proses doping dan adsorpsi. Ikatan C-N (1,422 Å) pada lapisan tunggal yang dioptimalkan sedikit lebih panjang dari ikatan C-C (1,418 Å) sebagai konsekuensi dari jari-jari atom N yang lebih besar dibandingkan dengan atom C. Konstanta kisi yang diperoleh dalam pekerjaan ini adalah 4,92 Å, mirip dengan hasil yang dilaporkan dalam Ref. [25, 49]. Kami menghitung transfer muatan antara molekul dan lapisan tunggal dengan analisis Hirshfeld dan mendefinisikan Q _B untuk menyatakan perubahan muatan dalam molekul gas. Q positive yang positif _B menunjukkan perilaku pelepasan elektron dari molekul gas. Sebaliknya, ini menunjukkan perilaku penerimaan elektron dari molekul gas.

Struktur C₃ . yang dioptimalkan N monolayer, H₂ S, JADI₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂

Hasil dan Diskusi

Analisis ZnO-Modified C₃ N Monolayer

Setelah optimasi geometrik, ZnO ditempatkan pada permukaan C₃ N monolayer dalam orientasi dan posisi yang berbeda untuk mengeksplorasi konfigurasi ZnO-C yang paling masuk akal₃ N. Berdasarkan Gambar 2a, partikel ZnO mendekati C₃ N monolayer melalui vertikal (O₁ , O₂ ) dan paralel (O₃ ) orientasi ke bidang pada posisi pusat struktur heksagonal (P_H1 , P_H2 ), titik tengah ikatan C-C dan C-N (P_B1 , P_B2 ), dan tepat di atas atom C (P_C ) dan atom N. Kami mendefinisikan energi formasi (E _formulir ) untuk menilai stabilitas ZnO-C₃ N monolayer, dihitung sebagai berikut:

$$ {E}_{\mathrm{form}}={E}_{\mathrm{ZnO}\hbox{-} {\mathrm{C}}_3\mathrm{N}}-{E}_{\ mathrm{ZnO}}-{E}_{{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $$ (1)

a Posisi mendekat dan orientasi molekul ZnO. b Konfigurasi paling stabil dari ZnO-C₃ T

dimana E _ZnO dan $ {E}_{{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $ adalah energi molekul ZnO dan C₃ N monolayer sebelum doping, dan $ {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $ adalah energi ZnO-C₃ struktur N. Ketika "ikatan" jarak dekat antara atom terjadi dalam struktur atom yang diperpanjang, energi total berkurang dan menghasilkan E negatif _formulir [50]; struktur dengan E . terbesar _formulir dipilih untuk adsorpsi dan analisis lebih lanjut.

Semua konfigurasi ZnO-C₃ N monolayer ditampilkan pada Gambar S1, S2, S3. Hasil ini menunjukkan bahwa sebagian besar struktur dengan E . besar _formulir ada di O₂ orientasi dan partikel ZnO lebih suka mendekati C₃ N permukaan dengan posisi berorientasi O dan terperangkap oleh atom C. Selanjutnya, setiap proses modifikasi dalam penelitian ini bersifat spontan karena E _formulir negatif dan maksimum E _formulir diperoleh dengan menempatkan partikel ZnO pada S_C di O₂ orientasi. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 2b, molekul diatomik terikat pada C₃ N dengan kemiringan 40°. Ikatan Zn-O memanjang dari 1,733 Å sampai 2,182 Å dan ikatan C-O diukur sebagai 1,338 Å. Di bawah pengaruh ZnO, permukaan C₃ N tidak lagi datar tetapi terjadi distorsi derajat tertentu, dan sementara itu atom C yang paling dekat dengan atom O ditarik keluar dari permukaan. Untuk diskusi lebih lanjut tentang perilaku elektronik ZnO-C₃ N monolayer, densitas muatan deformasi (DCD) dan densitas keadaan (DOS) digambarkan pada Gambar. 3. Pada Gambar. 3a, wilayah merah sesuai dengan peningkatan kerapatan muatan dan penurunan direpresentasikan dengan warna biru. Ketika molekul ZnO teradsorpsi, ia mengekstraksi 0,255 e dari C₃ N monolayer dan area merah yang berbeda dapat dikenali di sekitar atom O. Sedangkan atom Zn dikelilingi oleh area berwarna biru, menandakan adanya perbedaan keelektronegatifan antara atom O dan atom Zn. Selain itu, peningkatan densitas muatan yang signifikan antara atom O dan atom C menunjukkan pembentukan ikatan C-O yang juga dapat didukung oleh hibridisasi yang intens antara keadaan orbital O 2p dan orbital C 2p, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c. Dari kurva DOS pada Gambar. 3b, jelas bahwa pengenalan ZnO menyebabkan peningkatan DOS sistemik dan munculnya beberapa puncak baru. Dapat diidentifikasi bahwa puncak-puncak kecil yang baru muncul disumbangkan oleh atom O pada sekitar 2,5 eV dan puncak terbesar yang terletak pada 5,6 eV tampaknya dihasilkan dari orbital Zn 3d. Perubahan DOS dan hibridisasi antar orbital menegaskan fakta bahwa partikel ZnO telah teradsorpsi kuat pada permukaan C₃ N dan memberikan dampak besar pada struktur elektronik seluruh sistem.

a DCD dan b , c DOS dan PDOS dari ZnO-C₃ N monolayer

Perilaku Adsorpsi ZnO-C₃ N Monolayer

Untuk sepenuhnya membandingkan parameter adsorpsi yang mungkin dan memilih konfigurasi yang paling diinginkan untuk analisis, kami menempatkan setiap molekul gas di atas permukaan ZnO-C₃ N monolayer dalam berbagai orientasi. Misalnya, untuk molekul triatomik, yaitu H₂ S dan SO₂ , kami membuat bidang yang terdiri dari tiga atom sejajar atau vertikal ke permukaan dengan atom S ke atas atau ke bawah. Energi adsorpsi (E _iklan ) digunakan untuk menggambarkan perubahan energi dari struktur adsorpsi yang berbeda dan dihitung sebagai

$$ {E}_{\mathrm{ads}}={E}_{\mathrm{ZnO}\hbox{-} {\mathrm{C}}_3\mathrm{N}/\mathrm{gas}}- {E}_{\mathrm{ZnO}\hbox{-} {\mathrm{C}}_3\mathrm{N}}-{E}_{\mathrm{gas}} $$ (2)

dimana E _gas dan $ {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}} $ adalah energi dari molekul gas yang diisolasi dan ZnO-C₃ N monolayer sebelum adsorpsi, $ {E}_{\mathrm{ZnO}-{\mathrm{C}}_3\mathrm{N}/\mathrm{gas}} $ mewakili energi sistem dengan gas yang teradsorpsi. Setelah energi total minimum lokal dari setiap situasi diperoleh, hanya struktur dengan E . maksimum _iklan dipilih untuk diskusi lebih lanjut, seperti yang diberikan pada Gambar. 4, dan perbedaan kerapatan elektron (EDD) digambarkan pada Gambar. 5 untuk pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme transfer muatan.

Konfigurasi adsorpsi a H₂ Sistem S, b JADI₂ sistem, c SOF₂ sistem, dan d JADI₂ F₂ sistem

EDD dari a H₂ Sistem S, b JADI₂ sistem, c SOF₂ sistem, dan d JADI₂ F₂ sistem

H₂ Sistem adsorpsi S diberikan pada Gambar 4a, dimana H₂ Molekul S teradsorpsi pada posisi paralel dan jarak atom terdekat antara H₂ molekul (atom H) dan dopan ZnO (atom O) diukur sebagai 2,042 Å. Ikatan H-S dari atom H penangkap memanjang menjadi 1,374 Å dibandingkan dengan 1,357 Å dalam keadaan terisolasi, sedangkan H-S lainnya tetap tidak berubah selama proses adsorpsi. Sedikit deformasi dari konfigurasi geometri menunjukkan interaksi antara H₂ molekul S dan ZnO-C₃ N monolayer lemah. Dikombinasikan dengan E _iklan (− 0.444 eV) dan Q _B (− 0.077 e), jelas bahwa H₂ Molekul S tidak dapat secara stabil melekat pada ZnO-C₃ N lapisan tunggal; kita asumsikan bahwa ZnO-C₃ N monolayer tidak cocok untuk mendeteksi H₂ S. Untuk SO₂ molekul yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, kedua atom O terperangkap oleh atom Zn dengan jarak masing-masing 2,020 dan 2,031 Å. Partikel ZnO menekuk lebih dekat ke permukaan dan sudut yang dibentuk oleh Zn-O-C berkurang dari 129 menjadi 118° karena adanya SO₂ . Pada saat yang sama, dari analisis Hirshfeld, kami menemukan bahwa atom S bertindak sebagai donor elektron dengan kehilangan 0,164 e dan efek adsorpsinya ke atom O melemah, menghasilkan perpanjangan ikatan SO dari 1,481 menjadi 1,619 Å [ 51]. Sebaliknya, gaya antar atom yang diperkuat, karena kenaikan elektron (0,292 e) pada atom O ZnO, telah memperpendek ikatan Zn-O dari 2,182 menjadi 1,869 Å. Terlepas dari variasi geometris dan transfer elektron, E _iklan hingga 1.222 eV adalah bukti lain dari interaksi yang kuat selama proses adsorpsi, yang menunjukkan potensi penerapan ZnO-C₃ N monolayer dalam mendeteksi SO₂ . Adapun SOF₂ dan SO₂ F₂ sistem adsorpsi yang diberikan pada Gambar. 4c dan d, dapat dilihat bahwa molekul target telah mengalami perubahan morfologi yang dramatis. Atom F dalam SOF₂ menghilangkan kendala ikatan S-F dan teradsorpsi oleh atom Zn pada jarak 1,830 Å. Perubahan yang lebih drastis dapat diamati di SO₂ F₂ dimana kedua ikatan S-F putus dan membentuk ikatan Zn-F dengan panjang 1,802 dan 1,883 Å. Selain pembentukan ikatan Zn-F, gugus SOF yang tersisa pada SOF₂ sistem juga terperangkap oleh atom Zn melalui ikatan Zn-O. Tetapi dalam kasus SO₂ F₂ sistem, menarik untuk dicatat bahwa SO₂ grup yang dihasilkan oleh dekomposisi SO₂ F₂ tidak ditangkap tetapi menjaga jarak dari atom Zn, dan dengan ikatan S-O-nya dihitung sama dengan SO yang diisolasi₂ panjangnya. Deformasi yang diucapkan dari molekul gas dikaitkan dengan besar E _iklan dihitung sebesar 1.683 eV di SOF₂ sistem dan 3,497 eV di SO₂ F₂ sistem. Berdasarkan hal tersebut, adsorpsi SOF₂ dan SO₂ F₂ ke ZnO-C₃ N dapat ditentukan sebagai kemisorpsi yang kuat disertai dengan sejumlah besar transfer muatan dalam proses ini, yang menunjukkan kemungkinan adanya hibridisasi orbital elektron yang signifikan. Dengan E large yang besar _iklan dan Q _B , ZnO-C₃ N monolayer dapat memberikan adsorpsi yang lebih stabil untuk SO₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂ dibandingkan nanomaterial lainnya, seperti yang tercantum pada Tabel 1, konfigurasi adsorpsi ZnO-C₃ N monolayer lebih besar dari nanomaterial yang terdaftar sebesar 0,358–3,281 eV dan 0,038–0,811 e, memastikan kinerja adsorpsi material ini saat digunakan dalam deteksi gas, sedangkan kami berspekulasi bahwa molekul gas ini sulit (SO₂ , SOF₂ dan SO₂ F₂ ) untuk menghilangkan kekuatan interaksi yang kuat sebagai konsekuensi dari _iklan E yang besar . Oleh karena itu, untuk mencegah penurunan kinerja yang disebabkan oleh keracunan sensor, tindakan seperti anil suhu tinggi atau radiasi ultraviolet harus dilakukan untuk meningkatkan kinerja desorpsi ZnO-C₃ N monolayer. Analisis kinerja desorpsi spesifik akan diberikan di bagian “Evaluasi kinerja penginderaan gas”.

Dalam hal EDD yang ditunjukkan pada Gambar. 5, bagian biru menunjukkan daerah akumulasi elektron dan bagian lain yang berwarna ungu adalah daerah penipisan elektron. Untuk H₂ Sistem S, daerah akumulasi kecil dapat ditemukan antara atom H dan atom O, sedangkan sebagian besar daerah akumulasi dan penipisan terletak di sekitar H₂ molekul S, menunjukkan transfer muatan kecil dan redistribusi orbital molekul di H₂ molekul S. Di SO₂ sistem adsorpsi, ada daerah penipisan yang jelas yang mengelilingi atom S dan atom Zn, sedangkan daerah akumulasi terutama didistribusikan di sekitar atom O dan di atas atom S. Fenomena ini menegaskan peran penerima elektron SO₂ molekul, sesuai dengan Q _B (− 0.426 e) diperoleh dari analisis Hirshfeld. Di SOF₂ dan SO₂ F₂ sistem, dilihat dari skala besar akumulasi dan daerah penipisan, ada transfer muatan yang luar biasa dan hibridisasi elektron di kedua sistem. Daerah akumulasi didistribusikan di antara atom-atom gas target, sedangkan daerah penipisan terutama terlokalisasi di sekitar atom Zn, yang mencerminkan sifat pendonor elektron yang berbeda dari atom Zn. Akibatnya, perilaku elektronik ini membuat asumsi bahwa ZnO-C₃ N monolayer memiliki adsorpsi yang kuat ke molekul gas lebih persuasif.

Properti Elektronik ZnO-C₃ N Monolayer pada Adsorpsi Gas

Seperti yang dilaporkan dalam graphene- [56], SWCNT- [57], dan MoSe₂ - [58] berdasarkan penelitian penginderaan gas, DOS adalah parameter penting lainnya dalam menyelidiki perilaku elektronik antara gas dan struktur nano. Dapat dilihat pada Gambar 6a bahwa redistribusi orbital molekul pada H₂ S sesuai dengan kesimpulan yang diturunkan dari EDD pada Gambar 5a. Hibridisasi antara orbital H 1s dan O 2p tersedia di dekat 4 dan 6 eV tetapi dengan derajat yang rendah, menunjukkan interaksi yang lemah dan kemungkinan kecil dalam membentuk ikatan H-O baru. Mengenai SO₂ sistem pada Gambar. 6c, orbital anti-ikatan sedikit bergerak mendekati tingkat Fermi dan sebagian orbital berubah dari pemisahan menjadi sambungan, yang menunjukkan redistribusi struktur elektronik dalam SO₂ molekul. Untuk interaksi antara atom-atom pada Gambar 6d, orbital O 2p, Zn 4s, dan Zn 3d ditemukan hibridisasi pada beberapa tingkat energi, seperti 6, 4, dan 2 eV. Hibridisasi menandakan interaksi kimia yang kuat antara atom O dan atom Zn dan secara efektif mendukung pembentukan ikatan Zn-O seperti yang dihitung dalam struktur yang dioptimalkan. Di SO₂ F dan SO₂ F₂ sistem, karena deformasi dramatis dalam struktur, orbital molekul sangat diaktifkan dan didistribusikan kembali dengan banyak orbital baru yang terbentuk. Orbital F 2p dan O 2p dalam SOF₂ dihibridisasi secara intens dengan orbital Zn 4s dan 3d pada 8, 7, dan + 3 eV. Hibridisasi antara atom F dan atom Zn dapat diidentifikasi di dekat 7, 5, dan + 3.5 eV. Hibridisasi yang tampak antara atom Zn dan atom F, O yang terperangkap merupakan bukti terbentuknya ikatan kimia yang stabil, yaitu ikatan Zn-F dan Zn-O, yang dapat menjelaskan efek adsorpsi yang kuat antara ZnO-C₃ N monolayer dan dua gas. Dikombinasikan dengan hasil yang diperoleh dari empat sistem adsorpsi, kecuali untuk H₂ molekul S, tiga molekul lainnya (SO₂ , JADI₂ F, dan SO₂ F₂ ) dapat teradsorpsi dengan kuat saat terkena ZnO-C₃ N monolayer. Kesimpulan ini membuktikan bahwa zat tersebut memiliki potensi aplikasi penghilangan gas pada peralatan tegangan tinggi.

DOS dan PDOS dari molekul gas yang teradsorpsi pada ZnO-C₃ N monolayer. a , b H₂ sistem S. c , d JADI₂ sistem. e , f SOF₂ sistem. g , h JADI₂ F₂ sistem

Evaluasi Performa Penginderaan Gas

Untuk mencapai deteksi gas, perubahan moderat dalam konduktivitas diperlukan untuk perangkat tipe resistif pasca-adsorpsi. Konduktivitas sistem tertentu terkait dengan celah pitanya sesuai dengan persamaan berikut [59]:

$$ \sigma =A\times {e}^{-{E}_g/2{k}_BT} $$ (3)

dimana A adalah konstanta tertentu, k _B adalah konstanta Boltzmann (8,62 × 10⁻⁵ eV K⁻¹ ) dan T adalah suhu. Hubungan berbanding terbalik dapat dikenali antara konduktivitas dan celah pita, semakin lebar celah pita, semakin sulit elektron untuk melintasi pita terlarang. Gambar 7a menunjukkan bahwa celah pita pada ZnO-C₃ N monolayer cukup kecil seperti 0,168 eV yang kurang dari setengah celah pita di C₃ murni N (0,39 eV), sedangkan sifat semikonduktor dan celah pita tidak langsung tetap sama yang dapat dinilai dari perbedaan letak pita konduksi (M) bawah dan pita valensi atas (Γ). Sehubungan dengan celah pita sistem adsorpsi, variasi yang berbeda dapat ditemukan pada Gambar. 7b-d. Di H₂ Sistem S, celah pita berkurang menjadi 0,125 eV karena gerakan ke bawah di bagian bawah pita konduksi. Dalam sistem lain, tingkat pengotor baru yang muncul di bagian atas pita valensi bertemu dengan tingkat Fermi di dekat titik M dan menghasilkan celah pita nol dari sistem ini, yang dapat dianggap sebagai doping tipe-p kuat untuk ZnO-C₃ N monolayer [43, 60]. Meskipun sifat semikonduktor dari struktur teradsorpsi dapat ditutupi oleh sifat seperti logam dari celah pita nol [61], celah pita nol dapat memberikan peningkatan konduktivitas yang terlihat. Sangat penting untuk meningkatkan kinerja respons perangkat berdasarkan ZnO-C₃ N monolayer. Untuk memperkuat analisis tanggapan lebih lanjut (R ) kinerja, di sini, kami menghitungnya berdasarkan persamaan berikut [62]:

$$ R=\frac{\left|\frac{1}{\sigma_{\mathrm{gas}}}-\frac{1}{\sigma_{\mathrm{gas}}}\right|}{\frac {1}{\sigma_{\mathrm{pure}}}}=\left|\frac{\sigma_{\mathrm{pure}}-{\sigma}_{\mathrm{gas}}}{\sigma_{\ mathrm{gas}}}\kanan| $$ (4)

Struktur pita a ZnO-C₃ N monolayer, b H₂ Sistem S, c JADI₂ sistem, d SOF₂ sistem, dan e JADI₂ F₂ sistem

dimana σ _murni dan σ _gas mewakili konduktivitas ZnO-C₃ Sistem N sebelum dan sesudah adsorpsi, masing-masing. Menurut perhitungan, R untuk H₂ Sistem S dan tiga sistem sisanya adalah 0,567 dan 0,962 yaitu konduktivitas akan meningkat sebesar 56,7% dan 96,2% ketika adsorpsi terjadi pada permukaan ZnO-C₃ N lapisan tunggal; dalam hal ini, dimungkinkan untuk mendeteksi keberadaan gas-gas ini.

Waktu pemulihan (τ ) adalah parameter penting lainnya untuk memperkirakan properti sensor yang digunakan dalam deteksi gas, yang menunjukkan waktu yang dihabiskan untuk menghilangkan molekul gas yang teradsorpsi. Dengan meninjau literatur, τ dapat dihitung dengan persamaan van’t Hoff Arrhenius [63]:

$$ \tau ={F}^{-1}{e}^{-{E}_{\mathrm{a}}/{k}_{\mathrm{B}}T} $$ (5)

dimana F adalah frekuensi percobaan dan didefinisikan sebagai 10¹² s⁻¹ dalam penelitian ini. E _a adalah energi penghalang untuk desorpsi yang diasumsikan sama dengan nilai E _iklan di sini, k _B dan T didefinisikan sama seperti pada Persamaan. (3). Dari Persamaan. (5), desorpsi untuk gas yang teradsorpsi akan lebih sulit karena E _iklan semakin besar, tetapi juga dapat dikontrol dengan menaikkan suhu kerja.

Tabel 2 mencantumkan waktu pemulihan yang diperlukan keempat gas untuk menghilangkan dari permukaan ZnO-C₃ N monolayer. Untuk H₂ molekul S, kecil E _iklan tidak diragukan lagi mencerminkan penghalang energi yang rendah untuk desorpsi, karenanya, menyebabkan waktu pemulihan ekstra pendek dalam mikrodetik. Sementara itu, untuk sistem dengan E larger yang lebih besar _iklan , tampaknya tidak mungkin untuk memisahkan molekul gas dari permukaan pada suhu kerja karena desorpsi akan memakan waktu beberapa hari. Ketika mencapai 498 K dan 598 K yang jarang terjadi pada peralatan listrik, proses desorpsi dapat dipercepat hingga skala menit untuk SO₂ dan SOF₂ , masing-masing. Adsorpsi yang sangat kuat antara molekul gas (SO₂ , SOF₂ , dan SO₂ F₂ ) dan permukaan mengungkapkan potensi penerapan ZnO-C₃ N monolayer as a gas scavenger to remove the SF₆ decomposition species and maintain the good insulation state inside the power system. In addition, in the actual structure, given the high quantity of ZnO nanocrystals on C₃ N, the effect is expected to be substantially enhanced. Besides, comparing to the original configuration, the activity of the gases releasing from the ZnO-C₃ N monolayer is greatly impaired and can hardly exert impact on the system because of the severe deformation of the molecular structures (SOF₂ and SO₂ F₂ ). In terms of the H₂ S, it is supposed that the unstable interaction and extremely short recovery time of ZnO-C₃ N monolayer towards H₂ S are unable to provide an effective detection as the adsorption density is supposed to be small.

Kesimpulan

In this paper, a model of ZnO-modified C₃ N is established and the optimal structure is investigated by placing the ZnO particle on the surface of C₃ N in various orientations and position. Thus, the adsorption parameters of the ZnO-C₃ N monolayer on four SF₆ decomposition species, namely H₂ S, SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ , were obtained by analysing the E _iklan , DOS, Q _B , and band structure before and after adsorption. It is found that the H₂ S molecule can hardly adsorb stably on the nanostructure; at the same time, the other gases are strongly trapped in the ZnO particle. These results confirmed that the adsorption performance of ZnO-C₃ N monolayer allows its potential application as gas scavenger to sweep SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ from the high-voltage equipment, which keeps the insulation strength and the safe operation of power system. Plus, the frontier molecular orbital theory implies that ZnO-C₃ N monolayer possesses the possibility to estimate the dielectric state of SF₆ insulation equipment as an indicator, given the obvious changes in conductivity caused by the adsorption of the abovementioned gases.