Wawasan Teoritis tentang Adsorpsi Produk Dekomposisi SF6 pada Lembar Nanos C3N Modifikasi ZnO
Abstrak
SF6, sebagai medium isolasi unggulan, digunakan secara luas dalam perangkat isolasi tegangan tinggi untuk menjamin operasi aman sistem tenaga listrik. Namun, pengurasan parsial yang tak terhindarkan pada perangkat yang berjalan dalam waktu lama menyebabkan dekomposisi SF6 dan menurunkan performa isolasinya. Dalam penelitian ini, perhitungan DFT dilakukan untuk mempelajari properti adsorpsi dan sensorik lembar nanos C3N modifikasi ZnO (ZnO-C3N) terhadap produk dekomposisi SF6, guna mengusulkan kandidat nano baru untuk mengevaluasi status operasional perangkat isolasi SF6. Kami pertama kali menyelidiki struktur lapisan monolaer ZnO-C3N dan kemudian mensimulasikan perilaku adsorpsinya terhadap empat spesies dekomposisi SF6 yang umum, yaitu H2S, SO2, SOF2, dan SO2F2. Ditemukan bahwa lapisan monolaer ZnO-C3N dapat menunjukkan reaktivitas dan sensitivitas yang diinginkan terhadap SO2, SOF2, dan SO2F2, yang mengakibatkan deformasi intens pada molekul gas dan energi adsorpsi yang besar. Konsekuensi ini memungkinkan potensi aplikasi adsorbent gas berdasarkan lapisan monolaer ZnO-C3N untuk menghilangkan gas kotor dari perangkat isolasi SF6. Berdasarkan analisis, diasumsikan bahwa lapisan monolaer ZnO-C3N layak digunakan untuk mempertahankan kekuatan isolasi dan menjamin operasi aman sistem tenaga listrik.
Pendahuluan
Seiring dengan perkembangan nanotechnologi yang pesat, aplikasi sensor berdasarkan nanomaterial baru semakin meningkat dalam beberapa tahun terakhir. Dengan respons cepat, konsumsi rendah, biaya rendah, dan sensitivitas tinggi, nanosensor telah dikaji secara eksklusif di bidang medis, militer, deteksi gas, dan pemantauan lingkungan [1,2,3,4]. Sensor resistensi, sebagai salah satu sensor yang paling banyak digunakan, diminati para akademisi karena struktur dan mekanisme kerjanya yang sederhana. Pada tahap awal, grafen adalah materi menarik dalam deteksi gas karena performa fisik dan kimia yang unggul, seperti luas permukaan spesifik yang besar, mobilitas pengisi yang tinggi, dan konduktivitas panas yang baik [5,6,7,8]. Namun, penggunaan grafen dalam pengenalan gas terbatas karena karakteristik nol bandgap [9, 10], sehingga kinerja yang buruk dalam mengidentifikasi gas umum seperti CO, CO2, CH4, N2, NO2, NH3, H2, dan H2O [11]. Kemudian, dengan upaya gabungan para akademisi, berbagai nanomaterial baru dengan properti yang sama seperti grafen tetapi bebas dari nol bandgap telah muncul di bidang sensor gas, termasuk namun tidak terbatas pada dalkogenida logam transisi (TMDs) [12,13,14], karbida dan nitrida logam [15], semikonduktor kelompok III-VI berlapis [16, 17], dan nitrida kelompok III-V [18,19,20].
Di antara materi baru mirip grafen yang muncul, C3N disintesis melalui pirolisis langsung kristal tunggal heksaaminobensaena trihidroklorida atau polimerisasi 2,3-diaminofenazina [21, 22], yang telah menarik perhatian besar sebagai adsorbent gas [23,24,25]. C3N secara intrinsik adalah semikonduktor tidak langsung dengan bandgap 0,39 eV yang dapat disesuaikan dengan pembuatan titik kuantum dengan berbagai diameter [22]. Secara mikroskopis, C3N dapat dianggap sebagai supercel grafen 2 × 2 yang diganti oleh dua atom nitrogen, yang memiliki jaringan sadu madu datar dengan enam atom karbon dan dua atom nitrogen. Akibat penambahan atom N, C3N intrinsik menunjukkan aktivitas kimia yang lebih kuat dan mobilitas pengisi yang lebih tinggi namun tetap mempertahankan stabilitas struktural yang mirip dengan grafen, sehingga lapisan monolaer C3N menjadi kandidat yang kompetitif untuk deteksi gas [26]. Halnya kemampuan adsorpsi, para peneliti telah membuktikan bahwa C3N intrinsik memiliki selektivitas dan sensitivitas yang unggul [27] dalam mendeteksi NO2 dan SO2, sedangkan untuk gas lain, tidak ada efek adsorpsi yang jelas. Namun, penelitian menjelaskan bahwa reaktivitas permukaan C3N dapat ditingkatkan secara besar-besaran melalui modifikasi partikel kotor. Misalnya, Pashangpour dan Peyghan [28] melakukan eksperimen komparatif pada kemampuan adsorpsi CO pada lembar nanos C3N intrinsik dan yang didoping; hasilnya menunjukkan bahwa dopant Al dapat menghasilkan interaksi ikatan yang jauh lebih kuat daripada C3N asli. Nantinya, Zargham Bagheri [29] secara teoritis mempelajari C3N yang didoping Si untuk adsorpsi aseton, dan ditemukan bahwa dengan mengganti satu atom C dengan atom Si, energi adsorpsi dapat meningkat dari −9,7 hingga −67,4 kcal/mol, dan sensitivitas meningkat seiring bertambahnya atom C yang diganti.
Oksida logam adalah alternatif yang umum digunakan dalam modifikasi permukaan untuk meningkatkan reaktivitas kimia terhadap interaksi gas. Sebagai salah satu semikonduktor oksida logam, ZnO memiliki bandgap sekitar 3,37 eV dengan energi ikatan terikat sekitar 60 meV, stabilitas kimia, properti fotokatalitik yang unggul, dan aktivitas tinggi terhadap beberapa gas tertentu [30]. Menurut Ref [31], ZnO dapat tumbuh dalam morfologi nanostructur 0-dimensional (0D), 1-dimensional (1D), dan 2-dimensional (2D), dengan contoh dari setiap kelas adalah nanokluster, nanowire/nanotipa, dan lembar nanos/nanoranum, masing-masing. Dengan karakteristik ukuran dan morfologi yang mudah dikontrol [32, 33], nanopartikel ZnO adalah materi yang menjanjikan sebagai dopant untuk meningkatkan performa sensorik nano-permukaan [34,35,36]. Baru-baru ini, beberapa akademisi telah mengusulkan studi teoritis tentang peningkatan aktivitas permukaan nanomaterial dengan menggunakan dopant oksida logam tunggal molekul. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] menyelidiki kemampuan adsorpsi grafen yang dihiasi Cu dan CuO terhadap H2S secara teoritis dan menemukan konduktivitas grafen yang dimodifikasi berubah secara signifikan dibandingkan dengan grafen intrinsik setelah adsorpsi H2S. Asadi dan Vaezzadeh [38] merancang lembar grafen yang dihiasi B dan CuO untuk mendeteksi H2S dan CO berdasarkan teori fungsi kepadatan (DFT). Simulasi dalam karya-karya ini dilakukan dengan DFT dan kode komputasinya memperluas struktur atom atau molekula secara periodik berdasarkan supercel yang ditentukan dan kemudian menghitung properti fisik dari seluruh sistem. Berdasarkan metode ini, adsorpsi atom atau molekula pada substrat sebagai sensor digunakan untuk mempelajari nanostructur. Laporan sebelumnya memacu kami untuk melakukan penelitian terkait dan lebih lanjut pada topik ini tentang doping molekul oksida logam tunggal; di sini, kami doping C3N dengan molekul ZnO alih-alih nanopartikel ZnO sebagai simplifikasi untuk mengeksplorasi efek ZnO pada sensorik gas.
SF6 adalah medium yang banyak digunakan dalam peralatan switchgear terisolasi gas (GIS) dengan properti isolasi dan pemadam listrik yang unggul [39]. Kecelakaan dan defect internal yang tak terhindarkan, seperti pengurasan parsial (PD) dalam GIS, akan mendekomposisi SF6 menjadi beberapa sulfida baja fluorida seperti SF4, SF3, dan SF2 [40]. Produk samping ini akan bereaksi lebih lanjut dengan kelembaban dan oksigen jerapah, menghasilkan beberapa kimia stabil seperti H2S, SO2, SOF2, dan SO2F2 [41]. Keandalan isolasi produk samping ini jauh lebih rendah daripada SF6 dan keberadaannya akan mempercepat evolusi PD jika dibiarkan. Oleh karena itu, untuk menjamin operasi aman GIS, sangat penting untuk mendeteksi atau menyapu gas-gas ini. Dalam makalah ini, kami memilih ZnO sebagai dopant dan membangun model lapisan monolaer C3N modifikasi ZnO (ZnO-C3N) untuk mempelajari performa adsorpsinya terhadap spesies dekomposisi SF6 yang umum (H2S, SO2, SOF2, dan SO2F2) secara teoritis. Dengan menganalisis perubahan struktur, perilaku transfer elektron, struktur band, dan kepadatan keadaan (DOS), dampak dopant ZnO terhadap interaksi antara permukaan C3N dan molekul gas secara komprehensif dikaji. Tujuan kami adalah untuk memberikan mekanisme adsorpsi dan sensor yang rinci dari lapisan monolaer ZnO-C3N untuk aplikasi potensial dalam mendeteksi atau membersihkan gas kotor dalam perangkat isolasi SF6.
Detail Komputasi
Semua perhitungan berdasarkan DFT dilakukan dalam paket Dmol3 [42]. Untuk menggambarkan dengan lebih baik densitas elektron non-uniform dari sistem nyata, kami menggunakan pendekatan gradien umum (GGA [43]) dalam fungsi Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) dan koreksi dispersi TS untuk menangani istilah pertukaran-korelasi elektron [44, 45]. Pseudopot semi-core DFT (DSSP) digunakan untuk perlakuan inti dan basis numerik ganda dengan polarisasi (DNP) dipilih sebagai himpunan basis orbital atom [46]. Titik k Monkhorst-Pack 6 × 6 × 1 didefinisikan baik dalam optimasi geometri maupun perhitungan struktur elektronik [47]. Toleransi konvergensi energi, gaya maksimum, dan perpindahan maksimum dalam optimasi geometri masing-masing ditetapkan sebesar 1,0 × 10−5 Ha, 0,002 Ha/Å, dan 0,005 Å [48]. Selain itu, lapisan monolaer dan citra tetangganya dipisahkan oleh ruang vakum 15 Å untuk menghindari interaksi di antaranya.
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, supercel 2 × 2 × 1 lapisan monolaer C3N dan molekul gas dibangun dan dioptimalkan sebelum proses doping dan adsorpsi. Ikatan C-N (1,422 Å) pada lapisan monolaer yang dioptimalkan sedikit lebih panjang daripada ikatan C-C (1,418 Å) sebagai konsekuensi dari radius atom N yang lebih besar dibandingkan dengan atom C. Konstanta jaringan yang diperoleh dalam karya ini adalah 4,92 Å, mirip dengan hasil yang dilaporkan dalam Ref. [25, 49]. Kami menghitung transfer beban antara molekul dan lapisan monolaer dengan analisis Hirshfeld dan menentukan QT untuk mewakili perubahan beban pada molekul gas. QT positif menunjukkan perilaku melepaskan elektron dari molekul gas. Sebaliknya, ini menunjukkan perilaku menerima elektron dari molekul gas.
Struktur yang dioptimalkan dari lapisan monolaer C3N, H2S, SO2, SOF2, dan SO2F2
Hasil dan Pembahasan
Analisis Lapisan Monolaer C3N Modifikasi ZnO
Setelah optimasi geometri, ZnO ditempatkan pada permukaan lapisan monolaer C3N dalam orientasi dan posisi yang berbeda untuk mengeksplorasi konfigurasi paling wajar dari ZnO-C3N. Menurut Gambar 2a, partikel ZnO mendekati lapisan monolaer C3N melalui orientasi vertikal (O1, O2) dan paralel (O3) terhadap bidang pada posisi pusat struktur heksagon (PH1, PH2), titik tengah ikatan C-C dan C-N (PB1, PB2), dan tepat di atas atom C (PC) dan atom N. Kami mendefinisikan energi pembentukan (Eform) untuk menilai stabilitas lapisan monolaer ZnO-C3N, dihitung sebagai berikut:
di mana EZnO dan EC3N adalah energi molekul ZnO dan lapisan monolaer C3N sebelum doping, dan EZnO-C3N adalah energi struktur ZnO-C3N. Ketika “ikatan” dekat jarak antara atom terjadi dalam struktur atom yang diperluas, total energi berkurang dan menghasilkan Eform yang negatif [50]; struktur dengan Eform terbesar dipilih untuk adsorpsi dan analisis lebih lanjut.
a Posisi dan orientasi pendekatan molekul ZnO. b Konfigurasi paling stabil dari ZnO-C3N
Semua konfigurasi lapisan monolaer ZnO-C3N ditampilkan dalam Gambar S1, S2, S3. Hasil ini menunjukkan bahwa sebagian besar struktur dengan Eform besar berada dalam orientasi O2 dan partikel ZnO lebih suka mendekati permukaan C3N melalui posisi berorientasi O dan tertangkap oleh atom C. Selain itu, setiap proses modifikasi dalam studi ini spontan karena Eform negatif dan Eform maksimum diperoleh dengan menempatkan partikel ZnO pada SC dalam orientasi O2. Seperti yang terlihat dalam Gambar 2b, molekul atom dua terpasang pada C3N dengan kemiringan 40°. Ikatan Zn-O panjang dari 1,733 Å menjadi 2,182 Å dan ikatan C-O diukur sebesar 1,338 Å. Di bawah efek ZnO, permukaan C3N tidak lagi datar tetapi terjadi tingkat distorti tertentu, dan pada saat yang sama atom C yang terdekat dengan atom O ditarik keluar dari permukaan. Untuk diskusi lebih lanjut tentang perilaku elektronik lapisan monolaer ZnO-C3N, densitas muatan deformasi (DCD) dan kepadatan keadaan (DOS) digambarkan dalam Gambar 3. Dalam Gambar 3a, wilayah merah sesuai dengan peningkatan densitas muatan dan penurunan direpresentasikan dalam biru. Ketika molekul ZnO diadsorpsi, ia mengekstrak 0,255 e dari lapisan monolaer C3N dan area merah yang jelas dapat dikenali di sekitar atom O. Sementara atom Zn dikelilingi oleh area biru, yang menunjukkan perbedaan elektronegativitas antara atom O dan atom Zn. Selain itu, peningkatan yang signifikan dari densitas muatan antara atom O dan atom C menyarankan pembentukan ikatan C-O yang juga dapat didukung oleh hibridisasi yang intens antara status orbital O 2p dan orbital C 2p, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3c. Dari kurva DOS dalam Gambar 3b, jelas bahwa perkenalan ZnO menghasilkan peningkatan DOS sistemik dan munculnya beberapa puncak baru. Dapat diketahui bahwa puncak kecil baru yang muncul disumbangkan oleh atom O sekitar −2,5 eV dan puncak terbesar yang terletak pada −5,6 eV secara jelas berasal dari orbital Zn 3d. Perubahan dalam DOS dan hibridisasi antara orbital mengonfirmasi fakta bahwa partikel ZnO telah dengan kuat teradsorpsi pada permukaan C3N dan memberikan dampak besar pada struktur elektronik seluruh sistem.
a DCD dan b, c DOS dan PDOS dari lapisan monolaer ZnO-C3N
Perilaku Adsorpsi Lapisan Monolaer ZnO-C3N
Untuk membandingkan secara menyeluruh parameter adsorpsi yang mungkin dan memilih konfigurasi paling diinginkan untuk analisis, kami menempatkan setiap molekul gas di atas permukaan lapisan monolaer ZnO-C3N dalam berbagai orientasi. Misalnya, untuk molekul atom tiga, yaitu H2S dan SO2, kami membuat bidang yang terdiri dari tiga atom paralel atau vertikal terhadap permukaan dengan atom S ke atas atau ke bawah. Energi adsorpsi (Eads) digunakan untuk menggambarkan perubahan energi dari struktur adsorpsi yang berbeda dan dihitung sebagai
di mana Egas dan EZnO-C3N adalah energi molekul gas terisolasi dan lapisan monolaer ZnO-C3N sebelum adsorpsi, EZnO-C3N/gas mewakili energi sistem dengan gas yang diadsorpsi. Setelah energi total minimum lokal dari setiap situasi diperoleh, hanya struktur dengan Eads maksimum yang dipilih untuk diskusi lebih lanjut, seperti yang diberikan dalam Gambar 4, dan perbedaan densitas muatan (EDD) digambarkan dalam Gambar 5 untuk pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme transfer muatan.
Konfigurasi adsorpsi sistem a H2S, b SO2, c SOF2, dan d SO2F2
EDD sistem a H2S, b SO2, c SOF2, dan d SO2F2
Sistem adsorpsi H2S diberikan dalam Gambar 4a, di mana molekul H2S diadsorpsi dalam posisi paralel dan jarak atom terdekat antara molekul H2 (atom H) dan dopant ZnO (atom O) diukur sebesar 2,042 Å. Ikatan H-S dari atom H yang tertangkap panjang menjadi 1,374 Å dibandingkan dengan 1,357 Å dalam keadaan terisolasi, sementara ikatan H-S lainnya tetap tidak berubah selama proses adsorpsi. Deformasi konfigurasi geometri yang sedikit menyarankan interaksi antara molekul H2S dan lapisan monolaer ZnO-C3N adalah lemah. Digabungkan dengan Eads (−0,444 eV) dan QT (−0,077 e), jelas bahwa molekul H2S tidak dapat menempel secara stabil pada lapisan monolaer ZnO-C3N; kami mengasumsikan bahwa lapisan monolaer ZnO-C3N tidak cocok untuk mendeteksi H2S. Untuk molekul SO2 yang ditunjukkan dalam Gambar 4b, kedua atom O tertangkap oleh atom Zn dengan jarak masing-masing 2,020 dan 2,031 Å. Partikel ZnO membungkuk lebih dekat ke permukaan dan sudut yang dibentuk oleh Zn-O-C berkurang dari 129 menjadi 118° karena keberadaan SO2. Pada saat yang sama, dari analisis Hirshfeld, kami menemukan bahwa atom S bertindak sebagai donatur elektron dengan kehilangan 0,164 e dan efek adsorpsinya terhadap atom O melemah, menghasilkan perpanjangan ikatan S-O dari 1,481 menjadi 1,619 Å [51]. Sebaliknya, gaya inter-atom yang diperkuat, karena peningkatan elektron (0,292 e) pada atom O dari ZnO, telah memendekkan ikatan Zn-O dari 2,182 menjadi 1,869 Å. Selain variasi geometri dan transfer elektron, Eads yang mencapai −1,222 eV adalah bukti lain dari interaksi yang kuat selama proses adsorpsi, yang menunjukkan potensi aplikasi lapisan monolaer ZnO-C3N dalam mendeteksi SO2. Sebagai untuk sistem adsorpsi SOF2 dan SO2F2 yang diberikan dalam Gambar 4c dan d, dapat terlihat bahwa molekul target telah mengalami perubahan morfologi yang dramatis. Atom F dalam SOF2 lepas dari batasan ikatan S-F dan diadsorpsi oleh atom Zn pada jarak 1,830 Å. Perubahan yang bahkan lebih drastis dapat diamati dalam SO2F2 di mana kedua ikatan S-F terputus dan membentuk ikatan Zn-F dengan panjang masing-masing 1,802 dan 1,883 Å. Selain pembentukan ikatan Zn-F, sisa grup SOF dalam sistem SOF2 juga tertangkap oleh atom Zn melalui ikatan Zn-O. Namun dalam kasus sistem SO2F2, menarik untuk diperhatikan bahwa grup SO2 yang dihasilkan oleh dekomposisi SO2F2 tidak tertangkap tetapi tetap menjaga jarak dari atom Zn, dan ikatan S-nya diukur sama panjangnya dengan SO2 terisolasi. Deformasi yang mencolok dari molekul gas terkait dengan Eads yang besar yang dihitung sebesar −1,683 eV dalam sistem SOF2 dan −3,497 eV dalam sistem SO2F2. Berdasarkan ini, adsorpsi SOF2 dan SO2F2 pada ZnO-C3N dapat ditentukan sebagai kimiaorsi yang kuat disertai dengan transfer muatan yang besar dalam proses ini, yang menunjukkan kemungkinan adanya hibridisasi orbital elektron yang signifikan. Dengan Eads dan QT yang besar, lapisan monolaer ZnO-C3N dapat memberikan adsorpsi yang lebih stabil terhadap SO2, SOF2, dan SO2F2 dibandingkan nanomaterial lainnya, sebagaimana tercantum dalam Tabel 1, konfigurasi adsorpsi lapisan monolaer ZnO-C3N lebih besar daripada nanomaterial yang tercantum sebesar 0,358–3,281 eV dan 0,038–0,811 e, yang memastikan performa adsorpsi materi ini ketika digunakan dalam deteksi gas, sementara kami spekulasi bahwa sulit bagi molekul gas ini (SO2, SOF2, dan SO2F2) untuk lepas dari gaya interaksi yang kuat sebagai konsekuensi dari Eads yang besar. Oleh karena itu, untuk mencegah degradasi performa yang disebabkan oleh racunan sensor, langkah seperti pemanasan suhu tinggi atau radiasi ultraviolet harus diambil untuk meningkatkan performa desorpsi lapisan monolaer ZnO-C3N. Analisis spesifik performa desorpsi akan diberikan dalam bagian “Evaluasi Performa Penggas.”
Halnya EDD yang ditunjukkan dalam Gambar 5, bagian biru menunjukkan wilayah akumulasi elektron dan bagian lain dalam ungu adalah wilayah depletasi elektron. Untuk sistem H2S, wilayah akumulasi kecil dapat ditemukan antara atom H dan atom O, sementara sebagian besar wilayah akumulasi dan depletasi terletak di sekitar molekul H2S, yang menyarankan transfer muatan yang kecil dan redistribusi orbital molekular dalam molekul H2S. Dalam sistem adsorpsi SO2, terdapat wilayah depletasi yang jelas yang mengelilingi atom S dan atom Zn, sedangkan wilayah akumulasi terutama tersebar di sekitar atom O dan di atas atom S. Fenomena ini mengonfirmasi peran penerima elektron dari molekul SO2, sesuai dengan QT (−0,426 e) yang diperoleh dari analisis Hirshfeld. Dalam sistem SOF2 dan SO2F2, mengutamakan skala besar dari wilayah akumulasi dan depletasi, terdapat transfer muatan yang signifikan dan hibridisasi elektron dalam kedua sistem. Wilayah akumulasi tersebar di antara atom gas target, sedangkan wilayah depletasi terutama terlokalisasi di sekitar atom Zn, yang mencerminkan properti donatur elektron yang jelas dari atom Zn. Akibatnya, perilaku elektron ini membuat asumsi bahwa lapisan monolaer ZnO-C3N memiliki adsorpsi yang kuat terhadap molekul gas menjadi lebih persuasif.
Properti Elektronik Lapisan Monolaer ZnO-C3N pada Adsorpsi Gas
Seperti yang dilaporkan dalam penelitian sensorik gas berbasis grafen [56], SWCNT [57], dan MoSe2 [58], DOS adalah parameter penting lainnya dalam menyelidiki perilaku elektronik antara gas dan nanostructur. Dapat dilihat dalam Gambar 6a bahwa redistribusi orbital molekular dalam H2S sesuai dengan kesimpulan yang diambil dari EDD dalam Gambar 5a. Hibridisasi antara orbital H 1s dan O 2p tersedia di sekitar −4 dan −6 eV tetapi dengan tingkat yang rendah, yang menunjukkan interaksi yang lemah dan kemungkinan kecil dalam pembentukan ikatan H-O baru. Sebagai untuk sistem SO2 dalam Gambar 6c, orbital antibonding sedikit bergerak dekat dengan level Fermi dan sebagian orbital berubah dari pemisahan ke koneksi, yang menunjukkan redistribusi yang jelas dari struktur elektronik dalam molekul SO2. Untuk interaksi antara atom dalam Gambar 6d, orbital O 2p, Zn 4s, dan Zn 3d ditemukan hibrida pada beberapa level energi, seperti −6, −4, dan −2 eV. Hibridisasi ini menunjukkan 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. Dalam sistem SO2F dan SO2F2, karena deformasi struktural yang dramatis, orbital molekular sangat diaktifkan dan didistribusikan ulang dengan banyak orbital baru yang terbentuk. Orbital F 2p dan O 2p dalam SOF2 secara intens hibrida dengan orbital Zn 4s dan 3d di −8, −7, dan +3 eV. Hibridisasi antara atom F dan atom Zn dapat diketahui di sekitar −7, −5, dan +3,5 eV. Hibridisasi yang jelas antara atom Zn dan atom F, O yang tertangkap adalah bukti pembentukan ikatan kimia stabil, yaitu ikatan Zn-F dan Zn-O, yang dapat menjadi penjelasan untuk efek adsorpsi yang kuat antara lapisan monolaer ZnO-C3N dan kedua gas tersebut. Digabungkan dengan hasil yang diperoleh dari empat sistem adsorpsi, kecuali molekul H2S, ketiga molekul lainnya (SO2, SO2F, dan SO2F2) dapat teradsorpsi dengan kuat ketika terpapar pada lapisan monolaer ZnO-C3N. Kesimpulan ini membuktikan bahwa zat ini memiliki potensi aplikasi penghapusan gas dalam peralatan tegangan tinggi.
DOS dan PDOS molekul gas yang diadsorpsi pada lapisan monolaer ZnO-C3N. a, b Sistem H2S. c, d Sistem SO2. e, f Sistem SOF2. g, h Sistem SO2F2
Evaluasi Performa Penggas
Untuk mencapai deteksi gas, perubahan konduktivitas yang moderate diperlukan untuk perangkat resistensi setelah adsorpsi. Konduktivitas dari suatu sistem terkait dengan bandgapnya sesuai persamaan berikut [59]:
$$ \sigma =A\times {e}^{-{E}_g/2{k}_BT} $$
di mana A adalah konstanta tertentu, kB adalah konstanta Boltzmann (8,62 × 10−5 eV K−1) dan T adalah suhu. Hubungan proporsi terbalik dapat dikenali antara konduktivitas dan bandgap, semakin lebar bandgap, semakin sulit bagi elektron untuk melintasi larang terlarang. Gambar 7a menunjukkan bahwa bandgap pada lapisan monolaer ZnO-C3N cukup kecil yaitu 0,168 eV yang kurang dari separuh bandgap C3N asli (0,39 eV), sementara properti semikonduktor dan bandgap tidak langsung tetap sama yang dapat dijalankan dari lokasi yang berbeda dasar banda konduksi (M) dan puncak banda valensi (Γ). Terhadap bandgap sistem adsorpsi, variasi berbeda dapat ditemukan dalam Gambar 7b–d. Dalam sistem H2S, bandgap berkurang menjadi 0,125 eV karena gerakan ke bawah dasar banda konduksi. Dalam sistem lain, level kotoran baru yang muncul di puncak banda valensi bertemu dengan level Fermi di sekitar titik M dan menghasilkan nol bandgap dari sistem ini, yang dapat dianggap sebagai doping tipe p yang kuat untuk lapisan monolaer ZnO-C3N [43, 60]. Meskipun sifat semikonduktor dari struktur yang diadsorpsi dapat ditutupi oleh properti seperti logam dari nol bandgap [61], nol bandgap dapat memberikan peningkatan konduktivitas yang terlihat. Ini sangat penting untuk meningkatkan performa respons perangkat berdasarkan lapisan monolaer ZnO-C3N. Untuk memperkuat analisis lebih lanjut dari performa respons (R), di sini, kami menghitungnya berdasarkan persamaan berikut [62]:
Struktur band dari a lapisan monolaer ZnO-C3N, b sistem H2S, c sistem SO2, d sistem SOF2, dan e sistem SO2F2
di mana σpure dan σgas mewakili konduktivitas sistem ZnO-C3N sebelum dan setelah adsorpsi, masing-masing. Menurut perhitungan, R untuk sistem H2S dan ketiga sistem lainnya adalah 0,567 dan 0,962, yaitu konduktivitas akan meningkat sebesar 56,7% dan 96,2% ketika adsorpsi terjadi pada permukaan lapisan monolaer ZnO-C3N; dalam hal ini, mungkin 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 diadsorpsi. Dengan meninjau literatur, τ dapat dihitung dengan persamaan van’t Hoff Arrhenius [63]:
di mana F adalah frekvensi percobaan dan didefinisikan sebagai 1012 s−1 dalam studi ini. Ea adalah barier energi untuk desorpsi yang diasumsikan sama dengan nilai Eads di sini, kB dan T didefinisikan sama seperti dalam Eq. (3). Dari Eq. (5), desorpsi untuk gas yang diadsorpsi akan semakin sulit seiring dengan bertambahnya Eads, tetapi juga dapat dikontrol dengan meningkatkan suhu operasi.
Tabel 2 mencantumkan waktu pemulihan yang diperlukan untuk empat gas untuk lepas dari permukaan lapisan monolaer ZnO-C3N. Untuk molekul H2S, Eads yang kecil tanpa ragam mencerminkan barier energi desorpsi yang rendah, akibatnya menyebabkan waktu pemulihan yang sangat singkat dalam mikrodetik. Pada saat yang sama, untuk sistem dengan Eads yang lebih besar, tampaknya tidak mungkin untuk memisahkan molekul gas dari permukaan pada suhu operasi karena desorpsi akan membutuhkan waktu beberapa hari. Ketika mencapai 498 K dan 598 K yang jarang terjadi dalam peralatan listrik, proses desorpsi dapat dipercepat menjadi skala menit untuk SO2 dan SOF2, masing-masing. Adsorpsi yang sangat kuat antara molekul gas (SO2, SOF2, dan SO2F2) dan permukaan mengungkapkan potensi aplikasi lapisan monolaer ZnO-C3N sebagai penangkap gas untuk menghilangkan spesies dekomposisi SF6 dan menjaga keadaan isolasi yang baik di dalam sistem tenaga listrik. Selain itu, dalam struktur aktual, mengingat kuantitas yang tinggi dari kristal nano ZnO pada C3N, efek diharapkan akan ditingkatkan secara signifikan. Selain itu, dibandingkan dengan konfigurasi asli, aktivitas gas yang dilepaskan dari lapisan monolaer ZnO-C3N sangat terpuruk dan hampir tidak dapat memberikan dampak pada sistem karena deformasi parah dari struktur molekular (SOF2 dan SO2F2). Halnya H2S, diasumsikan bahwa interaksi yang tidak stabil dan waktu pemulihan yang sangat singkat dari lapisan monolaer ZnO-C3N terhadap H2S tidak dapat memberikan deteksi yang efektif karena densitas adsorpsi diasumsikan kecil.
Kesimpulan
Dalam makalah ini, model C3N modifikasi ZnO dirumuskan dan struktur optimal diselidiki dengan menempatkan partikel ZnO pada permukaan C3N dalam berbagai orientasi dan posisi. Oleh karena itu, parameter adsorpsi lapisan monolaer ZnO-C3N terhadap empat spesies dekomposisi SF6, yaitu H2S, SO2, SOF2, dan SO2F2, diperoleh dengan menganalisis Eads, DOS, QT, dan struktur band sebelum dan setelah adsorpsi. Ditemukan bahwa molekul H2S hampir tidak dapat teradsorpsi secara stabil pada nanostructur; pada saat yang sama, gas lain secara kuat tertangkap dalam partikel ZnO. Hasil ini mengonfirmasi bahwa performa adsorpsi lapisan monolaer ZnO-C3N memungkinkan potensi aplikasinya sebagai penangkap gas untuk menyapu SO2, SOF2, dan SO2F2 dari peralatan tegangan tinggi, yang mempertahankan kekuatan isolasi dan operasi aman sistem tenaga listrik. Selain itu, teori orbital molekul frontier menyiratkan bahwa lapisan monolaer ZnO-C3N memiliki kemungkinan untuk mengestimasi status dielektrik peralatan isolasi SF6 sebagai indikator, mengingat perubahan yang jelas dalam konduktivitas yang disebabkan oleh adsorpsi gas-gas di atas tersebut.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data dan bahan disediakan dalam naskah dan file tambahan.
