Studi Prinsip Pertama tentang Adsorpsi Molekul Kecil pada Penta-Grafena untuk Aplikasi Sensor Gas

Abstrak

Menggunakan teori fungsi kepadatan, kami memeriksa bagaimana enam gas CO, H₂O, H₂S, NH₃, SO₂, dan NO terik pada penta-grafena (PG) utuh. Semua gas kecuali CO secara fisik diikati, menunjukkan energi adsorpsi yang sedang dan transfer muatan. NO, justru, terikat secara kimiawi, menyebabkan deformasi yang signifikan pada PG. Adsorpsi mengubah struktur elektronik PG, mengindikasikan bahwa PG dapat berfungsi sebagai sensor transfer muatan yang efektif untuk gas-gas ini.

Latar Belakang

Deteksi gas berbahaya sangat penting untuk keselamatan lingkungan, industri, pertanian, dan medis. Bahan dua dimensi, dengan luas permukaan yang besar dan mobilitas pembawa muatan yang tinggi, semakin dipertimbangkan untuk perangkat sensor gas. Properti elektronik mereka dapat disesuaikan oleh adsorpsi gas, yang mengubah resistansi atau konduktivitas bahan. Grafana, saking konduktifnya, memiliki gap energi nol dan adsorpsi gas intrinsik yang lemah, yang membatasi performa sensor. Oleh karena itu, fungsionalisasi atau alotrop 2D alternatif dieksplorasi.

Penta-grafena (PG) adalah alotrop karbon yang baru saja diprediksi yang terdiri dari pentagon karbon. Ini adalah semikonduktor quasi-langsung intrinsik (1,52–4,48 eV) dan memiliki ikatan sp³ dan sp², yang memberinya permukaan bergelombang yang menawarkan beberapa situs adsorpsi. Studi sebelumnya telah menyoroti potensi katalitik PG untuk oksidasi CO dan penyimpanan hidrogen, tetapi properti sensor gasnya masih belum dijelajahi secara luas.

Untuk mengatasi kesenjangan ini, kami menggunakan perhitungan prinsip pertama untuk menyelidiki bagaimana CO, H₂O, H₂S, NH₃, SO₂, dan NO berinteraksi dengan monolayer PG, memberikan wawasan tentang kesesuaiannya sebagai platform sensor gas.

Metode

Optimasi struktural dilakukan menggunakan kode Dmol³ dengan pendekatan densitas lokal (LDA) Perdew-Wang (PWC). Interaksi van der Waals disertakan melalui koreksi Ortmann–Bechstedt–Schmidt. Grid 2×2×1 Monkhorst–Pack digunakan untuk mencetak Brillouin zone, dan ambang konvergensi ditetapkan pada 1×10⁻⁵ Ha (energi), 0,002 Ha/Å (gaya), dan 0,005 Å (pergeseran). Polarisasi spin diterapkan untuk adsorpsi NO.

Super sel 3×3 PG (vakuum 30 Å) digunakan, yang terdiri dari dua atom sp³ (C1) dan empat atom sp² (C2). Molekul gas diposisikan secara horizontal pada 3,5 Å di atas permukaan dan dioptimalkan dari empat lokasi kandidat: atas C1 (T1), atas C2 (T2), pusat gerobak (T3), dan gerobak seberang (T4). Energi adsorpsi (Eₐ), transfer muatan (Q), dan jarak ekuilibrium (d₂) dihitung menggunakan fungsi GGA PW91 dan PBE untuk perbandingan dengan hasil LDA.

Energi adsorpsi didefinisikan sebagai:

Eₐ = E₍PG+mol₎ − E_PG − E_mol.
Transfer muatan (Q) diperoleh dari analisis populasi Mulliken; Q negatif menunjukkan donasi elektron dari PG ke gas.

Hasil dan Pembahasan

Parameter jaringan PG yang dioptimalkan (l₁ = 1,342 Å, l₂ = 1,551 Å, θ = 133,9°, d₁ = 0,612 Å) setara dengan laporan sebelumnya. Geometri adsorpsi paling stabil untuk setiap gas diilustrasikan pada Gambar 2 dan dicantumkan dalam Tabel 1.

Energi adsorpsi (Eₐ) untuk CO, H₂O, dan NH₃ masing-masing −0,531, −0,900, dan −1,069 eV—yang jauh lebih tinggi dibandingkan pada InSe atau grafen, yang mengindikasikan fisiosorpsi yang kuat. H₂S dan SO₂ menunjukkan nilai Eₐ yang lebih besar (−1,345 dan −1,212 eV), yang mencerminkan interaksi yang kuat. CO menunjukkan adsorpsi terlemah, sementara Eₐ NO relatif rendah karena ikatan kimia melelehkan PG, mengkonsumsi energi tambahan.

Semua adsorbat kecuali NO terikat secara fisik, karena nilai d₂ melebihi jumlah jari-jari kovalen. d₂ NO (1,541 Å) berada dalam rentang kovalen, mengonfirmasi kimiaadsorpsi.

Analisis transfer muatan mengungkapkan bahwa CO, H₂O, H₂S, dan NH₃ menyumbangkan elektron ke PG (Q = 0,023–0,169 e), sedangkan SO₂ dan NO menerima elektron (Q = −0,109 dan −0,030 e). Pertukaran muatan yang signifikan ini melampaui nilai yang dilaporkan untuk InSe dan grafen, yang menyoroti sensitivitas PG.

Perhitungan kepadatan status (DOS) menunjukkan kontribusi yang signifikan dari adsorbat di dekat level Fermi, terutama untuk H₂S, NH₃, SO₂, dan NO, yang mengindikasikan modulasi struktur elektronik. Pengurangan gap energi saat adsorpsi diamati: CO (2,15 eV), H₂O (2,02 eV), H₂S (1,86 eV), NH₃ (1,81 eV), SO₂ (1,61 eV), dan NO (0 eV), mengonfirmasi bahwa perilaku semikonduktor PG sangat berubah oleh ikatan gas.

Analisis DOS terproyeksi dan fungsi lokalisasi elektron (ELF) mengonfirmasi ikatan kimia antara NO dan PG, dengan campuran orbital antara N p dan O p NO dan status C s/p PG. Gas lainnya tidak menunjukkan ikatan kimia, yang memperkuat sifat fisiosorptifnya.

Kesimpulan

Studi prinsip pertama kami menunjukkan bahwa H₂O, H₂S, NH₃, dan SO₂ secara fisik diikati pada monolayer PG dengan energi adsorpsi yang cukup dan transfer muatan, sedangkan CO menunjukkan fisiosorpsi yang lemah. CO, H₂O, dan H₂S, bersama dengan NH₃, menyumbangkan elektron ke PG, sementara SO₂ dan NO menarik elektron. Struktur elektronik PG sangat berubah setelah adsorpsi semua gas kecuali CO, seperti yang dibuktikan oleh perubahan DOS dan gap energi. Kimiaadsorpsi NO mengindikasikan bahwa PG dapat berfungsi sebagai detektor yang sensitif atau katalis untuk NO. Secara keseluruhan, PG utuh menunjukkan karakteristik yang menjanjikan untuk perangkat sensor gas generasi mendatang.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

DFT:

Teori fungsi kepadatan

DOS:

Kepadatan status

ELF:

Fungsi lokalisasi elektron

GGA:

Pendekatan gradien umum

LDA:

Pendekatan densitas lokal

PBE:

Perdew–Burke–Ernzerhof

PDOS:

Kepadatan status terproyeksi

PG:

Penta-grafena

PW91:

Perdew-Wang 1991

PWC:

Korelasi Perdew-Wang