Monocapa de MoTe2 dopado con Rh como un candidato prometedor para detectar y eliminar especies descompuestas de SF6:un estudio DFT

Resumen

En este trabajo, los comportamientos de adsorción y detección de MoTe ₂ dopado con Rh (Rh-MoTe ₂ ) monocapa sobre SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ se investigan utilizando la teoría de los primeros principios, en la que el comportamiento del dopaje Rh en el MoTe ₂ puro La superficie también está incluida. Los resultados indican que T _Mo es el sitio preferido de dopaje Rh con E _b de - 2.69 eV, y en Rh-MoTe ₂ superficie, SO ₂ y SO ₂ F ₂ se identifican como quimisorción con E _anuncio de - 2,12 y - 1,65 eV, respectivamente, mientras que SOF ₂ se adsorbe físicamente con E _anuncio de - 0,46 eV. El análisis de DOS verifica el rendimiento de adsorción e ilustra el comportamiento electrónico del dopaje Rh en la adsorción de gas. La estructura de banda y el análisis orbital molecular de frontera proporcionan el mecanismo de detección básico de Rh-MoTe ₂ monocapa como sensor de tipo resistencia. El comportamiento de recuperación respalda el potencial de la superficie dopada con Rh como un SO ₂ reutilizable sensor y sugiere su exploración como eliminador de gas para la eliminación de SO ₂ F ₂ en SF ₆ dispositivos de aislamiento. La función dieléctrica manifiesta que Rh-MoTe ₂ monocapa es un sensor óptico prometedor para la detección selectiva de tres gases. Este trabajo es beneficioso para explorar Rh-MoTe ₂ monocapa como material sensor o adsorbente de gas para garantizar el funcionamiento seguro del SF ₆ dispositivos de aislamiento de una manera fácil y de alta eficiencia.

Introducción

SF ₆ Los dispositivos de aislamiento, en sistemas de potencia de alta tensión, incluso ultra alta, son uno de los equipos más importantes y costosos [1, 2, 3], excepto los transformadores eléctricos [4, 5], para garantizar el funcionamiento seguro de todo el sistema. Estas contribuciones se atribuyen a la fuerte propiedad de extinción del arco y la alta electronegatividad del SF ₆ gas que se comporta como medio aislante en tales dispositivos [6]. Sin embargo, en uno de larga duración, SF ₆ aún podría descomponerse en varios sulfuros de bajo contenido de flúor por el poder de descarga parcial causado por defectos internos inevitables del equipo [7, 8]. Además, estos subproductos interactuarán aún más con las trazas de agua y oxígeno circundantes, formando algunas sustancias químicas estables como SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ y en su lugar deteriorar el comportamiento de aislamiento de SF ₆ [9]. Por lo tanto, la detección de estas especies descompuestas se ha considerado una forma eficaz de evaluar el estado de descomposición del SF ₆ y para reflejar el estado de funcionamiento de los dispositivos de aislamiento relacionados [10].

Con la creciente atención de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), MoS ₂ Se han propuesto sensores basados en la detección de SF ₆ especies descompuestas [11,12,13]. Estos informes han demostrado la idoneidad y superioridad del MoS ₂ dopado con metales de transición (TM) monocapa para detectar componentes, incluido SO ₂ y SOF ₂ . Además, un estudio teórico sobre la característica de detección del prístino MoTe ₂ monocapa sobre SF ₆ especie descompuesta demuestra su idoneidad para detectar SO ₂ [14]. Además, los avances recientes en la deposición química de vapor (CVD) utilizados para la síntesis a gran escala de TMD aceleran en gran medida el desarrollo de MoTe ₂ monocapa para aplicaciones de detección de gases [15,16,17]. Como se informó, MoTe ₂ La monocapa posee una excelente movilidad del portador, una gran longitud de enlace y una baja energía de enlace, lo que le confiere una alta sensibilidad a las interacciones de los gases a temperatura ambiente [18]. Por lo tanto, es de esperar que MoTe ₂ La monocapa es un candidato bastante prometedor para la detección de gases y su aplicación para la detección de SF ₆ las especies en descomposición deben ser exploradas más a fondo.

Está bien demostrado que los nanomateriales 2D dopados con TM poseen un rendimiento de adsorción y un comportamiento de detección más fuertes sobre moléculas gaseosas en comparación con superficies prístinas [19,20,21,22]. Esto se debe a la admirable actividad química y al comportamiento catalítico de la MT cuyo d orbital puede hibridar fuertemente con esas moléculas adsorbidas, facilitando la quimisorción y aumentando la transferencia de carga [23, 24, 25]. Cuando se trata de MoTe ₂ monocapa, hasta donde sabemos, existen pocos informes teóricos sobre el comportamiento de dopaje de TM en su monocapa; mientras tanto, comportamientos relacionados de adsorción y detección de MoTe ₂ dopado con TM monocapa sobre gases también se exploran menos. Entre los elementos de la MT, el rodio (Rh) con un fuerte rendimiento catalítico se ha demostrado como un dopante de la MT deseable en otras nano superficies para la adsorción de gases [26, 27]. Especialmente ref. [26] investiga el comportamiento del dopaje Rh en el MoSe ₂ monocapa y su rendimiento mejorado para la adsorción de gases tóxicos. Desde este punto de vista, sería interesante utilizar la teoría de los primeros principios para estudiar el comportamiento del dopaje Rh en el MoTe ₂ menos explorado monocapa para comparar sus propiedades geométricas y dar una mejor comprensión del dopaje Rh en los TMD. Más allá de eso, las funciones de adsorción y detección de MoTe ₂ dopado con Rh (Rh-MoTe ₂ ) monocapa sobre tres SF ₆ especies descompuestas, a saber, SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ , también se simularon teóricamente para explorar su posible aplicación de detección en algunas áreas típicas. Los comportamientos electrónicos y ópticos de Rh-MoTe ₂ La monocapa tras la adsorción de gas proporciona los mecanismos de detección básicos para su exploración como un sensor de gas óptico o de tipo resistencia para realizar la detección de SF ₆ especies descompuestas. El comportamiento de desorción verifica el potencial de Rh-MoTe ₂ monocapa como eliminador de gases para eliminar estos gases nocivos en SF ₆ dispositivos de aislamiento, que desde otro aspecto garantizan el funcionamiento seguro del sistema eléctrico. Este trabajo sería significativo para proponer un nuevo material nanosensible y su aplicación para evaluar el estado operativo de SF ₆ dispositivos de aislamiento de una manera fácil y de alta eficiencia.

Detalles computacionales

Todos los resultados se obtuvieron en el Dmol ³ paquete [28] basado en la teoría de los primeros principios. El método DFT-D propuesto por Grimme fue adoptado [29] para comprender mejor la fuerza de van der Waals y las interacciones de largo alcance. Se empleó la función Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) con aproximación de gradiente generalizado (GGA) para tratar los términos de intercambio y correlación de electrones [30]. Se empleó doble polarización numérica más (DNP) como el conjunto de bases orbitales atómicas [31]. El paquete Monkhorst k Se definió una malla de puntos de 7 × 7 × 1 para optimizaciones de geometría de supercélulas, mientras que una k más precisa -Se seleccionó un punto de 10 × 10 × 1 para los cálculos de estructura electrónica [32]. La precisión de tolerancia de energía, la fuerza máxima y el desplazamiento se seleccionaron como 10 ^{- 5} Ha, 2 × 10 ^{- 3} Ha / Å y 5 × 10 ^{- 3} Å [33], respectivamente. Para cálculos de estructura electrónica estática, energía de bucle autoconsistente de 10 ^{- 6} Ha, el radio de corte orbital global de 5,0 Å para garantizar resultados precisos de energía total [34].

Un MoTe ₂ Se estableció una monocapa con supercélula de 4 × 4 y región de vacío de 15 Å que contiene 16 Mo y 32 Te átomos para realizar el cálculo completo a continuación. Se ha demostrado que una supercélula de 4 × 4 es lo suficientemente grande para realizar el proceso de adsorción de gas, mientras que una losa de 15 Å es adecuada para evitar la interacción entre unidades adyacentes [35]. Aparte de eso, el método de Hirshfeld [36] se empleó a lo largo de este trabajo para analizar la carga atómica del dopante Rh ( Q _Rh ) y carga molecular de moléculas adsorbidas ( Q _T ). Por lo tanto, un valor positivo de Q _Rh ( Q _T ) representa que el dopante Rh (molécula de gas) es un donador de electrones, mientras que un Q negativo _Rh o Q _T indica el comportamiento de aceptación de electrones relacionado. Solo las configuraciones más favorables de Rh-MoTe ₂ Los sistemas de adsorción y monocapa se representan y analizan en las siguientes partes.

Resultados y discusión

Análisis de Rh-MoTe ₂ Monocapa

Sobre Rh-MoTe ₂ monocapa, se consideran cuatro posibles sitios de adsorción, trazados como T _H (encima del centro del anillo hexagonal de MoTe ₂ ), T _Mo (en la parte superior del átomo de Mo), T _Te (en la parte superior del átomo de Te) y T _B (el sitio del puente entre dos átomos de Te), respectivamente. La energía de enlace ( E _b ) para el dopaje Rh en el MoTe ₂ La monocapa está formulada como:

$$ {E} _ {\ mathrm {b}} ={E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} - {E} _ {\ mathrm {Rh}} - {E} _ {{\ mathrm {MoTe}} _ 2} $$ (1)

donde \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} \), E _Rh , y \ ({E} _ {{\ mathrm {MoTe}} _ 2} \) representan las energías del Rh-MoTe ₂ monocapa, átomos de Rh y MoTe ₂ prístino monocapa, respectivamente.

Según esta definición, la configuración más estable (MSC) con la E más baja _b en línea con la densidad de deformación electrónica relacionada (EDD) de Rh-MoTe ₂ La monocapa se muestra en la Fig. 1. Se puede ver que el dopante Rh está atrapado en el T _Mo sitio, formando tres enlaces covalentes con átomos de Te vecinos en la capa superior de MoTe ₂ monocapa. Tres enlaces Rh-Te se miden igualmente como 2.54 Å, más cortos que la suma de los radios covalentes de los átomos de Rh y Te (2.61 Å [37]), lo que indica la formación de enlaces químicos para el dopaje Rh en el MoTe ₂ capa. El E calculado _b de esta configuración es - 2.69 eV, mucho más grande que las de - 2.14 eV para T _H sitio, - 1,28 eV para T _Te sitio y - 2,55 eV para T _B sitio. Vale la pena señalar que los enlaces Rh-Te en Rh-MoTe ₂ las monocapa son más largas que las de los enlaces Rh-Se en Rh-MoSe ₂ monocapa y la E _b para el dopaje Rh es menor en el MoTe ₂ superficie en comparación con la de MoSe ₂ contrapartida. Estos indican la fuerza de unión más fuerte de los enlaces Rh-Se que los enlaces Rh-Te. Basado en el método de Hirshfeld, el dopante Rh se comporta como un aceptor de electrones durante el proceso de dopaje, que recibe 0.045 e del MoTe ₂ superficie que demuestra su comportamiento de aceptación de electrones en el dopaje superficial [26]. Esto está de acuerdo con la EDD en la que el átomo de Rh está rodeado principalmente por acumulación de electrones.

El MSC ( a ) y EDD relacionado ( b ) de Rh-MoTe ₂ monocapa. En EDD, las áreas verdes (rosadas) indican acumulación de electrones (agotamiento). La isosuperficie es 0,005 e / Å ³

La estructura de bandas (BS) y la densidad de estado (DOS) de Rh-MoTe ₂ El sistema se muestra en la Fig.2 para comprender mejor el cambio causado en el comportamiento electrónico de MoTe ₂ superficie por dopaje Rh. Se informa que Pristine MoTe ₂ La monocapa tiene una banda prohibida directa de 1,10 eV [38]. En la Fig. 2a, la banda prohibida de Rh-MoTe ₂ La monocapa se obtiene como 0,937 eV según los cálculos. Esto indica que el dopante Rh induce varios estados de impurezas dentro de la banda prohibida de MoTe ₂ sistema, reduciendo la banda prohibida de todo el sistema en consecuencia. Además, la parte superior de la banda de valencia se localiza en el Г punto y la parte inferior de la banda de conducción está en el K punto, lo que implica la propiedad semiconductora indirecta para Rh-MoTe ₂ sistema. En la Fig. 2b, se ve que los estados del dopante Rh contribuyen en gran medida a la parte superior de la banda de conducción de MoTe ₂ prístino monocapa y formando varios picos DOS novedosos alrededor del nivel de Fermi. Estos picos aparentemente cambian el comportamiento electrónico de todo el sistema, reduciendo su conductividad eléctrica en consecuencia. Debido a que el dopante Rh está atrapado en el T _Mo sitio que forma enlaces con átomos de Te, el DOS atómico de los átomos de Rh y Te se traza para comprender el comportamiento de hibridación de electrones entre ellos. Como se muestra en la Fig. 2c, el Rh 4 d orbital es fuertemente híbrido con el Te 5 p orbital de - 5 a 2 eV, lo que explica la importante interacción de enlace que conduce a la formación de enlaces químicos de Rh-Te.

un BS de Rh-MoTe ₂ monocapa; b Comparación de DOS entre MoTe ₂ prístino y dopado con Rh monocapa; y c DOS orbital de enlace de átomos de Rh y Te. El nivel de Fermi es 0

Configuraciones de adsorción de gas de Rh-MoTe ₂ Monocapa

Basado en la estructura relajada de Rh-MoTe ₂ monocapa, la adsorción de SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ las moléculas en su superficie alrededor del centro Rh están completamente simuladas. Antes de eso, las estructuras geométricas de las tres moléculas de gas también deben optimizarse, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1. La energía de adsorción ( E _anuncio ) se utiliza para determinar la configuración más estable de cada sistema, formulada como:

$$ {E} _ {\ mathrm {ad}} ={E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2 / \ mathrm {gas}} - {E} _ { \ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} - {E} _ {\ mathrm {gas}} $$ (2)

en el que \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2 / \ mathrm {gas}} \) y \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} \) son la energía total de Rh-MoTe ₂ monocapa antes y después de la adsorción, mientras que E _gas es la energía de la molécula de gas aislada. Según esta definición, el MSC con la E más baja _anuncio podría ser identificado.

Para comprender mejor el comportamiento de transferencia de carga durante la adsorción de gas, también se calcula la EDD para cada configuración. Información detallada para SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ la adsorción se puede ver en las Figs. 3, 4 y 5, respectivamente. Además, los parámetros de adsorción, incluidos E _anuncio , transferencia de carga ( Q _T ) y la longitud del enlace ( D ) se enumeran en la Tabla 1.

MSC ( a ) y EDD ( b ) de Rh-MoTe ₂ / SO ₂ sistema. En EDD, las áreas verdes (rosadas) indican acumulación de electrones (agotamiento), con isosuperficie como 0,005 e / Å ³

Igual que en la Fig.3 pero para Rh-MoTe ₂ / SOF ₂ sistema

Igual que en la Fig.3 pero para Rh-MoTe ₂ / SO ₂ F ₂ sistema

Para SO ₂ adsorción en Rh-MoTe ₂ monocapa, se puede encontrar en la Fig.3 que el SO ₂ molécula es básicamente paralela al MoTe ₂ capa con un átomo de O y un átomo de S atrapados por el dopante Rh. Como se enumera en la Tabla 1, los enlaces Rh-O y Rh-S recién formados se miden como 2,16 y 2,36 Å, respectivamente, lo que indica la fuerte fuerza de unión entre el dopante Rh y el SO ₂ molécula. Además, el E _anuncio se obtiene como - 1,65 eV, lo que implica la quimisorción del SO ₂ sistema, y el Q _T se obtiene como - 0.333 e, lo que implica el comportamiento de extracción de electrones del SO ₂ . Después de la adsorción, el dopante Rh se carga negativamente en 0,017 e, lo que significa que contribuye con 0,028 e al SO ₂ adsorbido. y la otra parte de la carga (0.305) proviene del MoTe ₂ monocapa. En comparación con los parámetros de adsorción en el MoTe ₂ / SO ₂ sistema ( E _anuncio =- 0,245 eV; Q _T =- 0,086 e; D =3.44 Å [14]), se puede inferir que el dopaje Rh mejora en gran medida el comportamiento de reacción y la redistribución electrónica del MoTe ₂ monocapa sobre SO ₂ adsorción, lo que hace que el adsorbente sea mucho más deseable para la interacción del gas. Además, los enlaces S-O en el SO ₂ las moléculas se alargan por separado a 1,50 y 1,58 Å después de la adsorción, a partir de los 1,48 Å uniformes en la fase gaseosa; los tres enlaces Rh-Te en el Rh-MoTe ₂ las monocapa se alargan a 2,58, 2,58 y 2,64 Å, respectivamente. Estas deformaciones implican la activación geométrica durante la adsorción tanto para el nanoadsorbente como para el adsorbato gaseoso, lo que confirma aún más la fuerte quimisorción aquí. De la distribución de EDD, se encuentra que el SO ₂ la molécula está rodeada de acumulación de electrones, lo que concuerda con el análisis de Hirshfeld; y la acumulación de electrones rodea en gran medida los enlaces Rh-S y Rh-O, lo que sugiere la hibridación de electrones en la formación de nuevos enlaces químicos.

En el Rh-MoTe ₂ / SOF ₂ sistema presentado en la Fig.4, el SOF ₂ molécula prefirió acercarse al dopante Rh por la posición del extremo O y el plano formado por el átomo de S y dos átomos de F son casi paralelos al MoTe ₂ capa. Sin embargo, no hay evidencia obvia que sugiera la formación de nuevos enlaces entre el dopante Rh y SOF ₂ molécula. La distancia más cercana de Rh-O se mide en 2,25 Å, un poco más larga que la del SO ₂ sistema y SOF ₂ La molécula no sufre una gran deformación geométrica después de la interacción. Estos hallazgos ponen de manifiesto el rendimiento de adsorción relativamente más débil de Rh-MoTe ₂ monocapa sobre SOF ₂ en comparación con SO ₂ . Como se presenta en la Tabla 1, el E _anuncio se calcula como - 0.46 eV apoyando la fisisorción nuevamente [39] y la Q _T se obtiene como 0,040 e, lo que implica el comportamiento de donación de electrones de SOF ₂ . Según el EDD, se puede ver que la acumulación de electrones se localiza principalmente en el área entre el SOF ₂ molécula y dopante Rh, lo que implica algo de hibridación entre ellos, mientras que el agotamiento de electrones en el SOF ₂ molécula concuerda con el análisis de Hirshfeld.

En términos de SO ₂ F ₂ sistema de adsorción, como se muestra en la Fig.5, se encuentra que después de la optimización, el SO ₂ F ₂ La molécula tiende a resolverse en un átomo de F y un SO ₂ Grupo F. Ambos son capturados por el dopante Rh formando un enlace Rh-F y un enlace Rh-S, respectivamente, con una longitud de enlace relacionada de 2,02 y 2,26 Å. Los enlaces recién formados indican la fuerte fuerza de unión entre el dopante Rh y SO ₂ F ₂ molécula, que combinada con la E calculada _anuncio de 2.12 eV evidencia la naturaleza de quimisorción de la superficie dopada con Rh sobre SO ₂ F ₂ adsorción, similar a la del SO ₂ sistema. Desde el EDD, la acumulación de electrones se localiza significativamente en el SO ₂ F ₂ molécula, de acuerdo con el resultado de Q _T (- 0,753 e) basado en el análisis de Hirshfeld. Por otro lado, una gran cantidad de depleción de electrones se localiza en el dopante Rh y un poco en el MoTe ₂ monocapa. En otras palabras, el dopante Rh contribuye en gran medida a la transferencia de carga al SO ₂ adsorbido. F ₂ molécula, manifestando su alta movilidad electrónica y fuerte reactividad química [40]. Al mismo tiempo, la superposición de la acumulación de electrones y el agotamiento de los electrones en los enlaces Rh-S y Rh-F sugieren la hibridación de electrones en su formación.

Según el análisis de la configuración y los parámetros de adsorción, se puede concluir que el Rh-MoTe ₂ monocapa posee el mejor rendimiento sobre SO ₂ F ₂ molécula, seguida de SO ₂ y el último llega a SOF ₂ . Mientras tanto, el dopante Rh puede afectar en gran medida la distribución de electrones de este sistema y, por lo tanto, alterar drásticamente el comportamiento electrónico del Rh-MoTe ₂ monocapa.

Comportamientos electrónicos de Rh-MoTe ₂ Monocapa por adsorción de gas

La estructura de bandas (BS) y la densidad de estado (DOS) de tres sistemas de adsorción se muestran en la Fig.6 para comprender el comportamiento electrónico de Rh-MoTe ₂ monocapa en adsorción de gas. Como se analizó anteriormente, Rh-MoTe ₂ monocapa tiene el mejor rendimiento sobre SO ₂ F ₂ adsorción. Así, de la Fig.6 (c2), se ve que el DOS molecular de SO ₂ F ₂ experimenta deformaciones pronunciadas, que se desplaza integralmente a la izquierda y algunos de los estados se combinan en uno grande por debajo del nivel de Fermi. De la Fig.6 (c3) donde se muestra el DOS orbital, se ve que el Rh 4 d orbital es altamente híbrido con el F 2 p orbital, y es algo híbrido con S 3 p orbital. A partir de este aspecto, se presume que el enlace Rh-F es más fuerte que el de Rh-S. En el SO ₂ sistema, el Rh 4 d orbital es altamente híbrido con el O 2 p orbital y seguido por el S 3 p orbital en la Fig. 6 (a3), y también se podría suponer que el dopante Rh tiene una fuerza de unión más fuerte con el átomo de O que con el átomo de S. Debido a tal hibridación, el DOS molecular de SO ₂ en la Fig. 6 (a2) sufre una deformación notable. En cuanto al SOF ₂ sistema, se puede ver en la Fig.6 (b3) que el dopante Rh tiene poca hibridación orbital con el átomo de O más cercano, lo que apoya la interacción débil para SOF ₂ adsorción.

BS y DOS de varios sistemas. (a1) - (a3) SO ₂ sistema; (b1) - (b3) SOF ₂ sistema; y (c1) - (c3) SO ₂ F ₂ sistema. En DOS, la línea de guiones es el nivel de Fermi

Junto con el cambio de DOS orbital y molecular, todo el estado del sistema adsorbido por gas cambiaría automáticamente en comparación con el Rh-MoTe ₂ puro. sistema. De la Fig.6 (a1) - (c1) donde se representan las BS del sistema adsorbido, se puede ver que las BS en el SOF ₂ el sistema no experimenta una deformación significativa en comparación con el Rh-MoTe ₂ aislado sistema, mientras que los del SO ₂ y SO ₂ F ₂ El sistema es diferente, en el que surgen algunos estados novedosos alrededor del nivel de Fermi, reduciendo así la banda prohibida en gran medida. En detalle, la banda prohibida del Rh-MoTe ₂ se reduce a 0,863, 0,913 y 0,675 eV después de la adsorción de SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ , respectivamente. Esto proporciona el mecanismo de detección básico para Rh-MoTe ₂ monocapa como posible sensor de gas de tipo resistencia.

Análisis orbital molecular de frontera

Para confirmar los resultados basados en el análisis de BS, se realiza la teoría de orbitales moleculares de frontera para analizar la distribución y energías de los orbitales moleculares de frontera (FMO) de Rh-MoTe ₂ aislado y adsorbido por gas. superficie. El FMO contiene el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), y la brecha de energía entre ellos puede evaluar la conductividad eléctrica del sistema analizado [41]. Para obtener los resultados precisos de las energías de FMO, la mancha en esta parte de los cálculos se establece en 10 ^{- 4} UNA. Las distribuciones y energías de FMO de Ru-MoTe ₂ monocapa antes y después de las adsorciones de gas se describen en la Fig. 7.

Distribuciones y energías de FMO en a Rh-MoTe ₂ sistema, b SO ₂ sistema, c SOF ₂ sistema y d SO ₂ F ₂ sistema

En la Fig. 7a, se puede observar que HOMO y LUMO se localizan principalmente en el dopante Rh, lo que sugiere su alta reactividad en el entorno. Las energías de HOMO y LUMO se obtienen como - 4.885 y - 3.927 eV, respectivamente, con la banda prohibida calculada de 0.958 eV. Después de la adsorción de tres especies de gas, como se ve en la Fig. 7b-d, las distribuciones de FMO de Rh-MoTe ₂ La superficie se ve afectada por diferentes grados de deformaciones, donde ocurre la reacción que resulta en la convergencia de la nube de electrones. Junto con estas deformaciones, las energías de FMO han cambiado en consecuencia. Se encuentra que las energías de FMO disminuyen en diferentes grados después de la adsorción de tres gases, en los que las de SOF ₂ el sistema experimenta las mayores disminuciones. Sin embargo, la brecha de energía en SOF ₂ el sistema sufre el cambio más pequeño en comparación con el de Rh-MoTe ₂ puro sistema. Específicamente, la brecha de energía de Rh-MoTe ₂ la monocapa (0,958 eV) se reduce en 0,044 eV después de SOF ₂ adsorción, mientras que se reduce en 0.061 y 0.281 eV después de SO ₂ y SO ₂ F ₂ adsorción, respectivamente. Estos hallazgos indican que la conductividad eléctrica de Rh-MoTe ₂ La monocapa disminuirá después de la adsorción de tres gases y la disminución es la más significativa en el SO ₂ F ₂ sistema, que concuerda con las conclusiones del análisis BS. Además, las brechas de energía de la teoría de orbitales moleculares de frontera son básicamente cercanas a las de las brechas de banda de los resultados de BS, lo que implica la buena precisión de nuestros cálculos.

Detección de respuesta y propiedad de recuperación

Los cambios en la banda prohibida de Rh-MoTe ₂ La monocapa después de la adsorción de gas manifiesta su cambio en la conductividad eléctrica en la atmósfera de gas relacionada [42], que puede proporcionar el mecanismo de detección básico para la exploración de Rh-MoTe ₂ monocapa como sensor de gas de tipo resistencia. Además, el mayor cambio en la conductividad eléctrica explicaría una mayor sensibilidad para la detección de gas. Para identificar la posibilidad de Ru-MoTe ₂ monocapa como sensor, su conductividad (σ) y sensibilidad ( S ) sobre tres gases típicos se calculan utilizando las siguientes fórmulas [43, 44]:

$$ \ sigma =\ mathrm {A} \ cdot {e} ^ {\ left (- {B} _g / 2 kT \ right)} $$ (3) $$ S =\ frac {\ frac {1} { \ sigma _ {\ mathrm {gas}}} - \ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {puro}}}} {\ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {puro}}}} =\ frac { \ sigma _ {\ mathrm {puro}} \ hbox {-} {\ sigma} _ {\ mathrm {gas}}} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} $$ (4)

En la fórmula 3, A es una constante, B _g es la banda prohibida del sistema analizado, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura de trabajo. En la fórmula 4, σ _gas y σ _puro respectivamente significan la conductividad del sistema de adsorción analizado y el Rh-MoTe ₂ aislado monocapa. De acuerdo con estas dos fórmulas, se encuentra que la S de cierta superficie podría obtenerse simplemente con su banda prohibida antes y después de la adsorción de gas. Después del cálculo, las sensibilidades de Rh-MoTe ₂ monocapa sobre SO ₂ , SOF ₂ y SO ₂ F ₂ detección a 298 K son 76,3, 37,3 y 99,4%, respectivamente. Estos hallazgos sugieren que el Rh-MoTe ₂ monocapa posee el comportamiento de detección más admirable sobre SO ₂ F ₂ , seguido de SO ₂ y el último llega a SOF ₂ . Este orden está de acuerdo con los análisis de parámetros de adsorción y comportamiento electrónico. Según estos resultados, es de esperar que Rh-MoTe ₂ La monocapa podría realizar una detección sensible de SO ₂ y SO ₂ F ₂ a temperatura ambiente.

La propiedad de recuperación también es importante para evaluar la reutilización del sensor de gas, y para reducir el tiempo de recuperación (τ) de la desorción de gas de ciertas superficies, generalmente se considera la técnica de calentamiento ya que el tiempo de recuperación está relacionado con la temperatura ( T ), formulado como [45] \ (\ tau ={A} ^ {- 1} {e} ^ {\ left (- {E} _a / {K} _BT \ right)} \). En esta fórmula, A es la frecuencia de intentos que se refiere a 10 ¹² s ^{- 1} [46], E _a es la barrera potencial, determinada como equivalente a E _anuncio en este trabajo, y K _B es la constante de Boltzmann (8,318 × 10 ^{- 3} kJ / (mol · K)).

Según la fórmula, el comportamiento de recuperación de Rh-MoTe ₂ La monocapa a 298, 448 y 598 K se muestra en la Fig. 8. Se puede ver en esta figura que la desorción de SO ₂ F ₂ y SO ₂ a temperatura ambiente son extremadamente difíciles, mientras que para SOF ₂ el tiempo de recuperación es bastante corto debido a su débil fuerza de unión con la superficie dopada con Rh. Mediante calentamiento, el tiempo de recuperación para SO ₂ F ₂ o SO ₂ la desorción se reduce notablemente, y cuando la temperatura aumenta a 598 K, el tiempo de recuperación en SO ₂ se vuelve favorable el sistema (79,48 s) lo que permite su reutilización en varios minutos. Esto respalda el potencial de Rh-MoTe ₂ monocapa como sensor de gas reutilizable para detectar SO ₂ . Por otro lado, el largo tiempo de recuperación para SO ₂ F ₂ desorción a 598 K (7,24 × 10 ⁵ ) también refleja la fuerte quimisorción aquí. Aunque continuar aumentando la temperatura puede reducir aún más el tiempo de recuperación, la termoestabilidad del material sensor y el alto consumo de energía en la aplicación del sensor serían otro problema. Teniendo en cuenta todos estos, Rh-MoTe ₂ la monocapa no es adecuada como sensor para SOF ₂ detección. Sin embargo, nos proporciona otra idea para proponer Rh-MoTe ₂ monocapa como adsorbente de gas para eliminar este gas nocivo en SF ₆ dispositivos de aislamiento, garantizando así su funcionamiento seguro. Además, esta parte del análisis desde otro aspecto revela lo inapropiado para explorar Rh-MoTe ₂ monocapa como SO ₂ F ₂ sensor dada la débil interacción con la superficie.

Tiempo de recuperación de Rh-MoTe ₂ monocapa a varias temperaturas

Comportamiento óptico de Rh-MoTe ₂ Monocapa por adsorción de gas

Given the desirable optical property of MoTe₂ monolayer, the calculation of the dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer upon gas adsorption is conducted, as displayed in Fig. 9, to illustrate its possibility as an optical gas sensor.

Dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer

From Fig. 9, it is seen that there have three main adsorption peaks for the isolated Rh-MoTe₂ monolayer, localizing at 148, 389, and 1242 nm, among which the former two distance are in the range of ultraviolet ray and the last one is in the range of infrared ray. After gas adsorption, the peaks in ultraviolet range suffer small deformation and that in infrared range undergoes significant deformation. Detailedly, the peak intensity at 1242 nm decreases after SOF₂ adsorption whereas increases after SO₂ and SO₂ F ₂ adsorption, and the blue shift could also be identified in the SOF₂ sistema. Therefore, it could be assumed that Rh-MoTe₂ monolayer is a promising optical sensor for sensitive and selective detection of three gases by infrared device.

In short, it is worth adding that this work makes a progressive research for proposing novel nanomaterials to realize the detection of SF₆ decomposed species through various techniques, which would be significant to fulfil the evaluation of SF₆ insulation devices in an easy and high-efficiency manner.

Conclusiones

In this paper, the potential application of Rh-MoTe₂ monolayer as a gas sensor for detection of SF₆ decomposed species is explored, which mainly contains two aspects:(1) Rh doping behavior on the intrinsic MoTe₂ monolayer and (2) adsorption and sensing behaviors of Rh-MoTe₂ monolayer upon SO₂ , SOF₂ y SO ₂ F ₂ . It is found that the Rh dopant prefers to be doped on the MoTe₂ surface through the T_Mo site with E _b of − 2.69 eV, exerting great electron hybridization with the Te atoms. The adsorption performance of Rh-MoTe₂ monolayer upon three gases are in order as SO₂ F ₂> SO₂> SOF₂ , in which chemisorption is identified in SO₂ F ₂ and SO₂ systems while physisorption in SOF₂ system, as further supported by the DOS analysis. Rh-MoTe₂ monolayer is a promising resistance-type gas sensor for recycle detection of SO₂ with a response of 76.3%, is a desirable adsorbent for SO₂ F ₂ removal from the SF₆ insulation device, and is promising as an optical sensor for selective detection of three gases. All in all, Rh-MoTe₂ monolayer is a potential sensing material for detection of SF₆ decomposed species. This work is meaningful to propose novel nano-sensing material and to realize the effective evaluation of SF₆ insulation devices in an easy and high-efficiency manner.

Methods Section

This work means to explore novel 2D sensing materials using first-principle theory for application in electrical engineering, through detecting the SF₆ decomposed species to evaluate the operation status of high-voltage insulation devices.