Adsorción de metano en monocapas de MoX₂ (S, Se, Te): perspectivas desde la teoría del funcional de densidad

Resumen

Mediante la teoría del funcional de densidad (DFT), investigamos la interacción del CH₄ con monocapas de MoX₂ (X = S, Se, Te) que contienen vacancias de calcógeno, vacancias de molibdeno y divacancias. El estudio revela que la ingeniería de defectos mejora significativamente la adsorción de metano. Entre los tipos de defectos, la divacancia en MoTe₂ (MV_D) presenta la adsorción más fuerte, con la mayor transferencia de carga y la distancia de adsorción más corta. Estos hallazgos destacan a MV_D(MoTe₂) como una plataforma prometedora para dispositivos de detección de metano.

Introducción

El metano (CH₄) es un gas incoloro, insípido y no tóxico, aunque concentraciones elevadas pueden desplazar el oxígeno y representar riesgos para la salud. Cuando los niveles de metano superan el 25-30 % de la atmósfera, pueden aparecer síntomas como cefalea, mareos y taquipnea. Los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales (TMD), como MoX₂ (X = S, Se, Te), han atraído interés por sus brechas de banda intrínsecas y potencial en aplicaciones de detección de gases. Los defectos —especialmente las vacancias— alteran las propiedades electrónicas de los TMD, influyendo en su interacción con adsorbatos. Aquí empleamos cálculos de primeros principios para explorar la adsorción de metano en monocapas de MoX₂ prístinas y defectuosas, con el objetivo de identificar el material sensor más eficaz.

Método y teoría

Se construyó una supercelda 4 × 4 de MoX₂ (32 átomos de X, 16 átomos de Mo) y se colocó CH₄ sobre ella en Materials Studio. Todos los cálculos se realizaron con DMol³, usando el funcional PBE y una malla de puntos k de 6 × 6 × 1. La energía de corte se fijó en 340 eV, con convergencia de autoconsistencia en 10⁻⁵ eV. Las posiciones atómicas se relajaron hasta que las fuerzas fueron inferiores a 0,03 eV/Å. Las energías de adsorción se evaluaron mediante:

\[E_{ad}=E_{MoX₂+CH₄}-\left(E_{MoX₂}+E_{CH₄}\right)\]

y la transferencia de carga se analizó mediante análisis de población de Mulliken.

Resultados y discusión

Estructuras geométricas y electrónicas de MoX₂

Las longitudes de enlace Mo–X optimizadas son 2,426 Å (Mo–S), 2,560 Å (Mo–Se) y 2,759 Å (Mo–Te), coincidiendo con valores experimentales (2,410 Å, 2,570 Å, 2,764 Å). La introducción de vacancias acorta los enlaces Mo–X vecinos, reflejando interacciones locales más fuertes.

Energías de adsorción, distancias y transferencia de carga

Antes de la adsorción, el CH₄ se sitúa a 3,6 Å de la superficie. Las energías de adsorción, corregidas por interacciones de van der Waals, oscilan entre –0,31 eV y –0,52 eV para MoS₂, –0,07 eV y –0,50 eV para MoSe₂, y –0,30 eV y –0,52 eV para MoTe₂. La unión más fuerte ocurre en la divacancia de MoTe₂, con una distancia CH₄–superficie de 2,20 Å y una transferencia de carga de –0,026 e. Los valores de transferencia indican que el CH₄ actúa como aceptor de electrones en todos los casos.

Análisis de la densidad de estados

Para MoS₂ prístino, la brecha de banda es 1,94 eV, disminuyendo a 0,209 eV para la divacancia. Los gráficos DOS muestran mínima superposición entre estados del CH₄ y la banda de conducción del MoS₂, confirmando fisiorción. MoSe₂ muestra una brecha menor (1,68 eV prístino, 0,024 eV divacancia) y comportamiento similar. MoTe₂ exhibe los cambios más pronunciados: la vacancia de Mo vuelve al material metálico, y la divacancia retiene una pequeña brecha (0,316 eV) mientras muestra la mayor DOS del CH₄ cerca del nivel de Fermi.

Conclusiones

Los cálculos DFT revelan que el metano interactúa débilmente con monocapas de MoX₂, indicativo de fisiorción. La ingeniería de defectos —especialmente la divacancia en MoTe₂— mejora sustancialmente la energía de adsorción, la transferencia de carga y modifica la estructura electrónica. MV_D(MoTe₂) combina una brecha de banda favorable con una fuerte unión de metano, posicionándolo como candidato superior para el desarrollo de sensores de metano.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están disponibles sin restricciones.