Adsorpsi Metana pada Monolayer MoX₂ (S, Se, Te): Wawasan dari DFT
Abstrak
Menggunakan teori fungsi densitas, kami mengkaji bagaimana CH₄ berinteraksi dengan monolayer MoX₂ (X = S, Se, Te) yang mengandung rongga X, rongga Mo, dan divacansi. Studi ini menunjukkan bahwa rekayasa cekungan secara signifikan meningkatkan adsorpsi metana. Di antara jenis cekungan, divacansi pada MoTe₂ (MV_D) memberikan adsorpsi terkuat, dengan transfer muatan terbesar dan jarak adsorpsi terpendek. Temuan ini menyoroti MV_D(MoTe₂) sebagai platform yang promising untuk perangkat sensor metana.
Pendahuluan
Metana (CH₄) adalah gas tanpa warna, rasa, dan tidak beracun, namun konsentrasi tinggi dapat menyingkirkan oksigen dan menimbulkan risiko kesehatan. Ketika tingkat metana melebihi 25–30 % atmosfer, gejala seperti sakit kepala, pusing, dan napas cepat dapat muncul. Dikalkogenida logam transisi dua dimensi (TMD) seperti MoX₂ (X = S, Se, Te) telah menarik perhatian karena jarak band intrinsik dan potensinya dalam aplikasi sensor gas. Cekungan—terutama rongga—mengubah properti elektronik TMD, mempengaruhi interaksi dengan adsorben. Di sini kami menggunakan perhitungan first-principles untuk menjelajahi adsorpsi metana pada monolayer MoX₂ murni dan yang ada cekungannya, dengan tujuan mengidentifikasi materi sensor yang paling efektif.
Metode dan Teori
Super sel 4 × 4 MoX₂ (32 atom X, 16 atom Mo) dibuat dan CH₄ ditempatkan di atasnya dalam Materials Studio. Semua perhitungan dilakukan dengan DMol³, menggunakan fungsi PBE dan jaringan k‑titik 6 × 6 × 1. Energi potongan diatur pada 340 eV, dengan konvergensi konsistensi sendiri pada 10⁻⁵ eV. Posisi atom direlax hingga gaya di bawah 0.03 eV/Å. Energi adsorpsi dievaluasi melalui
dan transfer menganalisis menggunakan analisis populasi Mulliken.
Hasil dan Pembahasan
Struktur Geometrik dan Elektronik MoX₂
Panjang ikatan Mo–X yang dioptimalkan adalah 2.426 Å (Mo–S), 2.560 Å (Mo–Se), dan 2.759 Å (Mo–Te), sesuai dengan nilai eksperimental (2.410 Å, 2.570 Å, 2.764 Å). Memperkenalkan rongga memendekkan ikatan Mo–X tetangga, yang mencerminkan interaksi lokal yang lebih kuat.
Gambar 2: Tampilan atas (a) MoX₂ murni, (b) rongga S, (c) rongga Mo, dan (d) divacansi.
Energi Adsorpsi, Jarak, dan Transfer Muatan
Sebelum adsorpsi, CH₄ berada 3.6 Å di atas permukaan. Energi adsorpsi, dikoreksi untuk interaksi van der Waals, berkisar dari –0.31 eV hingga –0.52 eV untuk MoS₂, –0.07 eV hingga –0.50 eV untuk MoSe₂, dan –0.30 eV hingga –0.52 eV untuk MoTe₂. Ikatan terkuat terjadi pada divacansi dalam MoTe₂, dengan jarak CH₄–permukaan 2.20 Å dan transfer muatan –0.026 e. Nilai transfer muatan menunjukkan bahwa CH₄ bertindak sebagai penerima elektron dalam semua kasus.
Gambar 3: Energi adsorpsi, jarak CH₄–MoX₂ terpendek, dan transfer muatan untuk semua sistem.
Analisis Kepadatan Status
Untuk MoS₂ murni, jarak band adalah 1.94 eV, menurun menjadi 0.209 eV untuk divacansi. Plot DOS menunjukkan tumpang tindih minimal antara status CH₄ dan konduksi band MoS₂, mengonfirmasi fisiksorpsi. MoSe₂ menampilkan jarak band yang lebih kecil (1.68 eV murni, 0.024 eV divacansi) dan perilaku fisiksorpsi yang serupa. MoTe₂ menunjukkan perubahan yang paling mencolok: rongga Mo mengubah materi menjadi logam, dan divacansi mempertahankan jarak kecil (0.316 eV) sambil menunjukkan DOS CH₄ terbesar di dekat tingkat Fermi.
Gambar 4: DOS CH₄ pada MoS₂ (murni, MV_S, MV_Mo, MV_D).Gambar 5: DOS CH₄ pada MoSe₂ (murni, MV_Se, MV_Mo, MV_D).Gambar 6: DOS CH₄ pada MoTe₂ (murni, MV_Te, MV_Mo, MV_D).
Kesimpulan
Perhitungan DFT mengungkapkan bahwa metana berinteraksi lemah dengan monolayer MoX₂, yang menunjukkan fisiksorpsi. Rekayasa cekungan—terutama divacansi dalam MoTe₂—secara signifikan meningkatkan energi adsorpsi, transfer muatan, dan memodifikasi struktur elektronik. MV_D(MoTe₂) menggabungkan jarak band yang menguntungkan dengan ikatan metana yang kuat, memosisikannya sebagai calon terbaik untuk pengembangan sensor metana.
