Conocimientos teóricos sobre la adsorción de productos de descomposición de SF6 en nanoláminas de C3N modificadas con ZnO

Resumen

El SF₆, como medio de aislamiento excepcional, se utiliza ampliamente en dispositivos de aislamiento de alto voltaje, garantizando la operación segura del sistema eléctrico. No obstante, la descarga parcial inevitable en dispositivos de larga duración causa la descomposición del SF₆ y deteriora su rendimiento de aislamiento. En este trabajo, se realizaron cálculos DFT para estudiar las propiedades de adsorción y detección de nanoláminas de C₃N modificadas con ZnO (ZnO-C₃N) frente a productos de descomposición del SF₆, con el fin de proponer un nuevo nano-candidato para evaluar el estado operativo de dispositivos de aislamiento con SF₆. Primero se investigó la estructura de la monocapa de ZnO-C₃N y luego se simuló su comportamiento de adsorción sobre cuatro especies típicas de descomposición del SF₆: H₂S, SO₂, SOF₂ y SO₂F₂. Se encontró que la monocapa ZnO-C₃N exhibe reactividad y sensibilidad deseables hacia SO₂, SOF₂ y SO₂F₂, lo que conduce a una deformación intensa de las moléculas de gas y grandes energías de adsorción. Estos resultados permiten la aplicación potencial de adsorbentes de gas basados en monocapas de ZnO-C₃N para eliminar gases impuros de equipos de aislamiento con SF₆. Según el análisis, se supone que la monocapa ZnO-C₃N es apta para mantener la rigidez dieléctrica y garantizar la operación segura del sistema eléctrico.

Introducción

Con el rápido desarrollo de la nanotecnología, la aplicación de sensores basados en nanomateriales novedosos ha aumentado en los últimos años. Gracias a su respuesta rápida, bajo consumo, bajo costo y alta sensibilidad, los nanosensores se han estudiado extensivamente en campos médicos, militares, detección de gases y monitoreo ambiental [1-4]. El sensor de tipo resistivo, uno de los más utilizados, es favorecido por los investigadores debido a su estructura simple y mecanismo de funcionamiento. En etapas tempranas, el grafeno era un material atractivo en la detección de gases por su excelente rendimiento físico y químico, como gran área superficial específica, alta movilidad de portadores y conductividad térmica favorable [5-8]. Sin embargo, el grafeno está limitado en el reconocimiento de gases debido a su característica de banda prohibida cero [9, 10], teniendo un bajo rendimiento en la identificación de gases comunes como CO, CO₂, CH₄, N₂, NO₂, NH₃, H₂ y H₂O [11]. Posteriormente, con el esfuerzo conjunto de investigadores, han surgido numerosos nanomateriales novedosos con propiedades similares al grafeno pero sin banda prohibida cero en el campo de la detección de gases, incluyendo, entre otros, dicálcogenuros de metales de transición (TMDs) [12-14], carburos y nitruros metálicos [15], semiconductores laminares del grupo III-VI [16, 17] y nitruros del grupo III-V [18-20].

Entre los nuevos materiales tipo grafeno, el C₃N se sintetiza mediante pirólisis directa de cristales únicos de trihidrocloruro de hexaaminobenceno o polimerización de 2,3-diaminofenazina [21, 22], atrayendo considerable atención como adsorbente de gases [23-25]. El C₃N es intrínsecamente un semiconductor indirecto con una banda prohibida de 0,39 eV que puede ajustarse mediante la fabricación de puntos cuánticos de diferentes diámetros [22]. En apariencia microscópica, el C₃N puede considerarse como una supercelda 2×2 de grafeno sustituida por dos átomos de nitrógeno, poseyendo una red hexagonal plana con seis átomos de carbono y dos de nitrógeno. Como resultado de los átomos de N añadidos, el C₃N intrínseco muestra mayor actividad química y movilidad de portadores pero mantiene una estabilidad estructural similar comparado con el grafeno, haciendo de la monocapa de C₃N un candidato competitivo para la detección de gases [26]. En cuanto a la capacidad de adsorción, los investigadores han demostrado que el C₃N intrínseco tiene excelente selectividad y sensibilidad [27] en la detección de NO₂ y SO₂, mientras que para otros gases no hay un efecto de adsorción obvio. No obstante, la investigación aclara que la reactividad superficial del C₃N podría promoverse ampliamente mediante la modificación con partículas de impurezas. Por ejemplo, Pashangpour y Peyghan [28] realizaron un experimento comparativo sobre la capacidad de adsorción de CO en C₃N intrínseco y dopado; sus resultados ilustran que el dopante Al puede producir una interacción de enlace mucho más fuerte que el C₃N prístino. Más tarde, Zargham Bagheri [29] estudió teóricamente C₃N dopado con Si para adsorción de acetona, encontrando que al reemplazar un átomo de C con uno de Si, la energía de adsorción aumenta de -9,7 a -67,4 kcal/mol, y la sensibilidad aumenta al sustituir más átomos de C.

El óxido metálico es una alternativa común en la modificación superficial para mejorar la reactividad química en interacciones con gases. Como uno de los semiconductores de óxido metálico, el ZnO tiene una banda prohibida de ~3,37 eV con energía de enlace excitónica de ~60 meV, estabilidad química, excelentes propiedades fotocatalíticas y alta actividad hacia gases específicos [30]. Según la Ref. [31], el ZnO puede crecer en morfologías nanoestructurales 0D, 1D y 2D, con ejemplos de cada clase incluyendo nanoclústeres, nanohilos/nanotubos y nanoláminas/nanocintas, respectivamente. Dada la característica de tamaño y morfología fácilmente controlables [32, 33], la nanopartícula de ZnO es un material prometedor para actuar como dopante y mejorar el rendimiento de detección de nano-superficies [34-36]. Recientemente, algunos académicos han propuesto estudios teóricos sobre la mejora de la actividad superficial de nanomateriales usando dopantes de óxido metálico de molécula única. E. Mohammadi-Manesh et al. [37] investigaron la capacidad de adsorción de grafeno decorado con Cu y CuO sobre H₂S teóricamente y encontraron que la conductividad del grafeno modificado cambió significativamente comparado con el grafeno intrínseco tras la adsorción de H₂S. Asadi y Vaezzadeh [38] diseñaron una lámina de grafeno decorada con B y CuO para detectar H₂S y CO basado en teoría de funcional de densidad (DFT). La simulación en estos trabajos se realizó mediante DFT y sus códigos computacionales extienden la estructura atómica o molecular periódicamente basada en la supercelda definida y luego calculan las propiedades físicas del sistema completo. Basado en este método, la adsorción de un átomo o molécula en el sustrato como sensor se usa para estudiar nanoestructuras. Los informes anteriores nos estimulan a realizar investigaciones relacionadas y adicionales sobre este tema de dopaje con molécula única de óxido metálico; aquí, dopamos C₃N con molécula de ZnO en lugar de nanopartícula de ZnO como simplificación para explorar el efecto del ZnO en la detección de gases.

El SF₆ es un medio ampliamente usado en equipos de conmutación aislados en gas (GIS) con prominentes propiedades de aislamiento y extinción de arco [39]. Los defectos internos inevitables, como la descarga parcial (PD) en GIS, descompondrán el SF₆ en sulfuros de bajo fluoruro como SF₄, SF₃ y SF₂ [40]. Estos subproductos reaccionarían aún más con trazas de humedad y oxígeno, generando químicos estables como H₂S, SO₂, SOF₂ y SO₂F₂ [41]. La fiabilidad de aislamiento de estos subproductos es mucho menor que la del SF₆ y su existencia acelerará la evolución de PD si no se atienden. Por tanto, para garantizar la operación segura de GIS, es esencial detectar o eliminar estos gases. En este artículo, elegimos ZnO como dopante y construimos el modelo de monocapa de C₃N modificada con ZnO (ZnO-C₃N) para estudiar su rendimiento de adsorción sobre especies típicas de descomposición del SF₆ (H₂S, SO₂, SOF₂ y SO₂F₂) teóricamente. Analizando cambios estructurales, comportamiento de transferencia de electrones, estructura de bandas y densidad de estados (DOS), se estudió exhaustivamente el impacto del dopante ZnO en la interacción entre la superficie de C₃N y las moléculas de gas. El propósito de nuestro trabajo es dar un mecanismo detallado de adsorción y detección de la monocapa ZnO-C₃N para aplicación potencial en la detección o eliminación de gases impuros en dispositivos de aislamiento con SF₆.

Detalles Computacionales

Todos los cálculos basados en DFT se realizaron en el paquete Dmol³ [42]. Para describir mejor la densidad electrónica no uniforme del sistema real, empleamos la aproximación de gradiente generalizado (GGA [43]) dentro de la funcional Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) y la corrección de dispersión TS para tratar los términos de intercambio-correlación electrónica [44, 45]. Se usaron pseudopotenciales DSSP para el tratamiento del núcleo y la base numérica doble con polarización (DNP) como conjunto de base de orbitales atómicos [46]. Se definieron mallas k-puntos de Monkhorst-Pack de 6×6×1 en optimización geométrica y cálculos de estructura electrónica [47]. Las tolerancias de convergencia de energía, fuerza máxima y desplazamiento máximo en optimización geométrica se establecieron respectivamente en 1,0×10⁻⁵ Ha, 0,002 Ha/Å y 0,005 Å [48]. Además, la monocapa y su imagen vecina se separaron por un espaciado de vacío de 15 Å para evitar interacciones entre ellas.

Como se ilustra en la Fig. 1, la supercelda 2×2×1 de monocapa C₃N y las moléculas de gas se establecieron y optimizaron antes del proceso de dopaje y adsorción. El enlace C-N (1,422 Å) en la monocapa optimizada es ligeramente más largo que el enlace C-C (1,418 Å) como consecuencia del mayor radio del átomo de N comparado con el de C. La constante de red obtenida en este trabajo es 4,92 Å, similar a resultados reportados en Ref. [25, 49]. Calculamos la transferencia de carga entre la molécula y la monocapa mediante análisis de Hirshfeld y definimos Q_T para representar el cambio de carga en la molécula de gas. Un Q_T positivo indica comportamiento donador de electrones de la molécula de gas. Opositamente, sugiere comportamiento receptor de electrones de la molécula de gas.

Resultados y Discusión

Análisis de la Monocapa de C₃N Modificada con ZnO

Tras la optimización geométrica, el ZnO se colocó sobre la superficie de la monocapa C₃N en diferentes orientaciones y posiciones para explorar la configuración más razonable de ZnO-C₃N. Según la Fig. 2a, la partícula de ZnO se acerca a la monocapa C₃N a través de orientaciones vertical (O₁, O₂) y paralela (O₃) al plano en la posición del centro de la estructura hexagonal (P_H1, P_H2), el punto medio de los enlaces C-C y C-N (P_B1, P_B2), y justo encima del átomo de C (P_C) y átomo de N. Definimos energía de formación (E_form) para evaluar la estabilidad de la monocapa ZnO-C₃N, calculada como sigue:

E_form = E_ZnO-C3N - E_ZnO - E_C3N

(1)

donde E_ZnO y E_C3N son la energía de la molécula de ZnO y la monocapa C₃N antes del dopaje, y E_ZnO-C3N es la energía de la estructura ZnO-C₃N. Cuando ocurre un "enlace" de corto alcance entre átomos en la estructura atómica extendida, la energía total se reduce resultando en un E_form negativo [50]; la estructura con el mayor E_form se selecciona para adsorción y análisis posterior.

Todas las configuraciones de monocapa ZnO-C₃N se muestran en Figuras S1, S2, S3. Estos resultados demuestran que la mayoría de las estructuras con gran E_form están en orientación O₂ y la partícula ZnO prefiere acercarse a la superficie C₃N por posición orientada al O y atrapada por un átomo de C. Además, cada proceso de modificación en este estudio es espontáneo ya que el E_form es negativo y el máximo E_form se obtiene colocando la partícula ZnO en S_C en orientación O₂. Como se ve en Fig. 2b, la molécula diatómica se une a C₃N con una inclinación de 40°. El enlace Zn-O se alarga de 1,733 Å a 2,182 Å y el enlace C-O se mide como 1,338 Å. Bajo el efecto del ZnO, la superficie de C₃N ya no es plana sino que ocurre cierta distorsión, y mientras tanto el átomo de C más cercano al átomo de O es sacado de la superficie. Para discutir más el comportamiento electrónico de la monocapa ZnO-C₃N, se representan la densidad de deformación de carga (DCD) y la densidad de estados (DOS) en Fig. 3. En Fig. 3a, la región roja corresponde a un aumento en la densidad de carga y la disminución se representa en azul. Cuando la molécula de ZnO se adsorbe, extrae 0,255 e de la monocapa C₃N y se puede reconocer un área roja distinta alrededor del átomo de O. Mientras el átomo de Zn está rodeado por un área azul, significando la diferencia en electronegatividad entre átomo de O y Zn. Además, el aumento significativo de densidad de carga entre átomo de O y C sugiere la formación de enlace C-O, lo cual también puede ser soportado por la intensa hibridación entre los estados del orbital 2p de O y el orbital 2p de C, como se muestra en Fig. 3c. Desde la curva DOS en Fig. 3b, es obvio que la introducción de ZnO conduce a un aumento en el DOS sistémico y la aparición de varios picos novedosos. Se puede identificar que los nuevos picos pequeños emergen contribuidos por el átomo de O a ~-2,5 eV y el más grande ubicado a -5,6 eV resulta aparentemente del orbital 3d de Zn. Los cambios en DOS y la hibridación entre orbitales confirman que la partícula ZnO se ha adsorbido firmemente en la superficie de C₃N ejerciendo gran impacto en la estructura electrónica del sistema completo.

Comportamiento de Adsorción de la Monocapa ZnO-C₃N

Para comparar completamente los posibles parámetros de adsorción y seleccionar la configuración más deseable para análisis, colocamos cada molécula de gas sobre la superficie de la monocapa ZnO-C₃N en varias orientaciones. Por ejemplo, para moléculas triatómicas (H₂S y SO₂), hicimos el plano compuesto por los tres átomos paralelo o vertical a la superficie con el átomo de S hacia arriba o hacia abajo. La energía de adsorción (E_ads) se emplea para describir los cambios de energía de diferentes estructuras de adsorción y se calcula como:

E_ads = E_ZnO-C3N/gas - E_ZnO-C3N - E_gas

(2)

donde E_gas y E_ZnO-C3N son la energía de la molécula de gas aislada y la monocapa ZnO-C₃N antes de la adsorción, E_ZnO-C3N/gas representa la energía del sistema con gas adsorbido. Tras obtener el mínimo local de energía total de cada situación, solo se eligió la estructura con el máximo E_ads para discusión posterior, como se da en Fig. 4, y la diferencia de densidad electrónica (EDD) se muestra en Fig. 5 para mejor comprensión del mecanismo de transferencia de carga.

El sistema de adsorción de H₂S se da en Fig. 4a, donde la molécula H₂S se adsorbe en posición paralela y la distancia atómica más cercana entre la molécula H₂S (átomo H) y el dopante ZnO (átomo O) se mide como 2,042 Å. El enlace H-S del átomo H capturado se alarga a 1,374 Å comparado con 1,357 Å en su estado aislado, mientras el otro H-S permanece inalterado durante el proceso de adsorción. La ligera deformación de la configuración geométrica sugiere que la interacción entre la molécula H₂S y la monocapa ZnO-C₃N es débil. Combinado con E_ads (-0,444 eV) y Q_T (-0,077 e), está claro que la molécula H₂S no puede adherirse establemente a la monocapa ZnO-C₃N; asumimos que la monocapa ZnO-C₃N no es adecuada para detectar H₂S. Para la molécula SO₂ mostrada en Fig. 4b, ambos átomos de O son atrapados por el átomo de Zn con distancias de 2,020 y 2,031 Å, respectivamente. La partícula ZnO se dobla más cerca de la superficie y el ángulo formado por Zn-O-C se reduce de 129° a 118° debido a la presencia de SO₂. Al mismo tiempo, del análisis de Hirshfeld, encontramos que el átomo de S actúa como donador de electrones con una pérdida de 0,164 e y su efecto de adsorción a átomos de O se debilita, resultando en la extensión de enlaces S-O de 1,481 a 1,619 Å [51]. Inversamente, la fuerza interatómica fortalecida, debido al aumento de electrones (0,292 e) en el átomo de O del ZnO, ha acortado el enlace Zn-O de 2,182 a 1,869 Å. Además de las variaciones geométricas y transferencia de electrones, el E_ads de hasta -1,222 eV es otra evidencia de fuerte interacción durante el proceso de adsorción, indicando aplicación potencial de la monocapa ZnO-C₃N en detección de SO₂. En cuanto a los sistemas de adsorción de SOF₂ y SO₂F₂ dados en Fig. 4c y d, se ve que las moléculas objetivo han sufrido cambio dramático en morfología. El átomo de F en SOF₂ se libera de la restricción del enlace S-F y es adsorbido por el átomo de Zn a distancia de 1,830 Å. Un cambio aún más drástico se observa en SO₂F₂ donde ambos enlaces S-F se rompen y forman enlaces Zn-F con longitudes de 1,802 y 1,883 Å. Además de la formación de enlace Zn-F, el grupo SOF remanente en sistema SOF₂ también es atrapado por el átomo de Zn a través de enlace Zn-O. Pero en el caso de sistema SO₂F₂, es interesante notar que el grupo SO₂ generado por la descomposición de SO₂F₂ no es capturado sino que mantiene distancia del átomo de Zn, y con sus enlaces S-O calculados de la misma longitud que SO₂ aislado. La pronunciada deformación de las moléculas de gas está asociada con los grandes E_ads calculados de -1,683 eV en sistema SOF₂ y -3,497 eV en sistema SO₂F₂. Basado en esto, la adsorción de SOF₂ y SO₂F₂ sobre ZnO-C₃N puede determinarse como quimisorción fuerte acompañada de gran cantidad de transferencia de carga en este proceso, indicando la posible existencia de hibridación significativa de orbitales electrónicos. Con los grandes E_ads y Q_T, la monocapa ZnO-C₃N puede proporcionar adsorción más estable a SO₂, SOF₂ y SO₂F₂ que otros nanomateriales, como se lista en Tabla 1, la configuración de adsorción de la monocapa ZnO-C₃N es mayor que los nanomateriales listados por 0,358-3,281 eV y 0,038-0,811 e, asegurando el rendimiento de adsorción de este material cuando se usa en detección de gases, mientras especulamos que es difícil para estas moléculas de gas (SO₂, SOF₂ y SO₂F₂) librarse de la fuerte fuerza de interacción como consecuencia del gran E_ads. Por tanto, para prevenir la degradación del rendimiento causada por envenenamiento del sensor, se deben tomar medidas como recocido a alta temperatura o radiación ultravioleta para mejorar el rendimiento de desorción de la monocapa ZnO-C₃N. El análisis específico de rendimiento de desorción se proporcionará en la sección "Evaluación del rendimiento de detección de gases".

En términos de EDD mostrada en Fig. 5, la parte azul indica región de acumulación electrónica y la otra parte en púrpura es la región de depleción electrónica. Para sistema H₂S, se puede encontrar una pequeña región de acumulación entre átomo H y O, mientras la mayoría de regiones de acumulación y depleción están localizadas alrededor de la molécula H₂S, sugiriendo pequeña transferencia de carga y redistribución de orbitales moleculares en molécula H₂S. En el sistema de adsorción SO₂, hay regiones de depleción obvias que rodean el átomo S y Zn, mientras las regiones de acumulación se distribuyen principalmente alrededor de átomos O y encima del átomo S. Este fenómeno confirma el rol receptor de electrones de la molécula SO₂, de acuerdo con el Q_T (-0,426 e) obtenido del análisis de Hirshfeld. En sistemas SOF₂ y SO₂F₂, juzgando por la gran escala de regiones de acumulación y depleción, hay transferencias de carga notables e hibridación electrónica en ambos sistemas. Las regiones de acumulación se distribuyen entre los átomos del gas objetivo, mientras las regiones de depleción se localizan principalmente alrededor del átomo Zn, reflejando la distinta propiedad donadora de electrones del átomo Zn. Como resultado, estos comportamientos electrónicos hacen más persuasiva la suposición de que la monocapa ZnO-C₃N tiene fuerte adsorción a las moléculas de gas.

Propiedades Electrónicas de la Monocapa ZnO-C₃N en Adsorción de Gases

Como se reporta en investigaciones de detección de gases basadas en grafeno [56], SWCNT [57] y MoSe₂ [58], DOS es otro parámetro importante en la investigación del comportamiento electrónico entre gases y nanoestructura. En Fig. 6a se ve que la redistribución de orbitales moleculares en H₂S está de acuerdo con la conclusión derivada de EDD en Fig. 5a. La hibridación entre orbitales H 1s y O 2p está disponible cerca de -4 y -6 eV pero de bajo grado, demostrando la interacción débil y la mínima posibilidad de formar nuevo enlace H-O. En cuanto al sistema SO₂ en Fig. 6c, el orbital antienlace se mueve ligeramente cerca del nivel de Fermi y parte de los orbitales se transforman de separación a conexión, manifestando la aparente redistribución de la estructura electrónica en molécula SO₂. Para la interacción entre átomos en Fig. 6d, los orbitales O 2p, Zn 4s y Zn 3d se encuentran hibridados en múltiples niveles de energía, como -6, -4 y -2 eV. La hibridación significa la fuerte interacción química entre átomo O y Zn y soporta efectivamente la formación de enlace Zn-O calculada en la estructura optimizada. En sistemas SO₂F y SO₂F₂, debido a la dramática deformación en estructura, los orbitales moleculares se activan fuertemente y redistribuyen con muchos orbitales recién formados. Los orbitales F 2p y O 2p en SOF₂ se hibridan intensamente con orbitales Zn 4s y 3d en -8, -7 y +3 eV. La hibridación entre átomos F y Zn puede identificarse cerca de -7, -5 y +3,5 eV. La aparente hibridación entre átomo Zn y los átomos F, O atrapados es evidencia de la formación de enlaces químicos estables, a saber, enlaces Zn-F y Zn-O, que pueden explicar el fuerte efecto de adsorción entre la monocapa ZnO-C₃N y los dos gases. Combinado con resultados de cuatro sistemas de adsorción, excepto la molécula H₂S, las otras tres moléculas (SO₂, SO₂F y SO₂F₂) pueden adsorbirse firmemente cuando se exponen a la monocapa ZnO-C₃N. Esta conclusión prueba que la sustancia tiene aplicación potencial de eliminación de gases en equipos de alto voltaje.

Evaluación del Rendimiento de Detección de Gases

Para lograr la detección de gases, un cambio moderado en conductividad es necesario para dispositivos resistivos post-adsorción. La conductividad de un sistema está relacionada con su banda prohibida según la ecuación [59]:

σ = A × e^-E_g/2k_BT

(3)

donde A es una constante, k_B es la constante de Boltzmann (8,62×10⁻⁵ eV K⁻¹) y T es la temperatura. Se reconoce una relación inversamente proporcional entre conductividad y banda prohibida: cuanto más ancha la banda, más difícil para el electrón cruzar la banda prohibida. La Figura 7a demuestra que la banda prohibida en monocapa ZnO-C₃N es bastante pequeña (0,168 eV), menos de la mitad de la banda prohibida en C₃N prístino (0,39 eV), mientras las propiedades de semiconductor y banda prohibida indirecta permanecen iguales, juzgado por la diferente ubicación del fondo de banda de conducción (M) y tope de banda de valencia (Γ). Respecto a la banda prohibida de sistemas de adsorción, se encuentran diferentes variaciones en Fig. 7b-d. En sistema H₂S, la banda prohibida disminuye a 0,125 eV debido al movimiento descendente del fondo de banda de conducción. En otros sistemas, el nuevo nivel de impureza que aparece en el tope de banda de valencia se encuentra con el nivel de Fermi cerca del punto M resultando en banda prohibida cero de estos sistemas, lo que puede considerarse dopaje tipo p fuerte para la monocapa ZnO-C₃N [43, 60]. Aunque la naturaleza semiconductora de las estructuras adsorbidas puede ser cubierta por su propiedad metálica de banda prohibida cero [61], la banda prohibida cero podría proporcionar mejora visible en conductividad. Es muy significativo mejorar el rendimiento de respuesta de dispositivos basados en monocapa ZnO-C₃N. Para ampliar el análisis del rendimiento de respuesta (R), lo calculamos basado en:

R = |(1/σ_gas - 1/σ_gas) / (1/σ_pure)| = |(σ_pure - σ_gas) / σ_gas|

(4)

donde σ_pure y σ_gas representan la conductividad del sistema ZnO-C₃N antes y después de la adsorción, respectivamente. Según los cálculos, el R para sistema H₂S y los otros tres sistemas son 0,567 y 0,962, es decir, la conductividad aumentaría 56,7% y 96,2% cuando ocurre adsorción en superficie de monocapa ZnO-C₃N; en este caso, es posible detectar la existencia de estos gases.

El tiempo de recuperación (τ) es otro parámetro importante para estimar la propiedad de sensores en detección de gases, indicando el tiempo empleado en remover moléculas de gas adsorbidas. Revisando la literatura, τ podría calcularse mediante la ecuación de van't Hoff Arrhenius [63]:

τ = F^-1 e^-E_a/k_BT

(5)

donde F es la frecuencia de intento definida como 10¹² s⁻¹ en este estudio. E_a es la barrera de energía para desorción asumida igual al valor de E_ads aquí, k_B y T definidos igual que en Ec. (3). De la Ec. (5), la desorción para gases adsorbidos sería más difícil conforme E_ads aumenta, pero también puede controlarse elevando la temperatura de trabajo.

La Tabla 2 lista el tiempo de recuperación requerido para los cuatro gases al removerse de la superficie de monocapa ZnO-C₃N. Para la molécula H₂S, el pequeño E_ads refleja indudablemente la baja barrera de energía para desorción, causando tiempo de recuperación extra corto en microsegundos. Mientras tanto, para sistemas con mayor E_ads, parece imposible separar la molécula de gas de la superficie a temperatura de trabajo ya que la desorción tomaría varios días. Al alcanzar 498 K y 598 K (que rara vez ocurren en equipos eléctricos), el proceso de desorción podría acelerarse a escala de minutos para SO₂ y SOF₂, respectivamente. La extremadamente fuerte adsorción entre moléculas de gas (SO₂, SOF₂ y SO₂F₂) y la superficie revela la aplicación potencial de la monocapa ZnO-C₃N como scavenger de gases para remover especies de descomposición del SF₆ y mantener buen estado de aislamiento dentro del sistema eléctrico. Además, en la estructura real, dada la alta cantidad de nanocristales de ZnO en C₃N, se espera que el efecto se mejore sustancialmente. Además, comparado con la configuración original, la actividad de los gases liberados de la monocapa ZnO-C₃N está muy deteriorada y difícilmente puede ejercer impacto en el sistema debido a la severa deformación de las estructuras moleculares (SOF₂ y SO₂F₂). En términos de H₂S, se supone que la interacción inestable y tiempo de recuperación extremadamente corto de la monocapa ZnO-C₃N hacia H₂S no pueden proporcionar detección efectiva ya que la densidad de adsorción se supone pequeña.

Conclusiones

En este artículo, se establece un modelo de C₃N modificado con ZnO y se investiga la estructura óptima colocando la partícula ZnO en la superficie de C₃N en varias orientaciones y posiciones. Así, se obtuvieron los parámetros de adsorción de la monocapa ZnO-C₃N sobre cuatro especies de descomposición del SF₆ (H₂S, SO₂, SOF₂ y SO₂F₂) analizando E_ads, DOS, Q_T y estructura de bandas antes y después de la adsorción. Se encontró que la molécula H₂S apenas puede adsorbirse establemente en la nanoestructura; al mismo tiempo, los otros gases son fuertemente atrapados en la partícula ZnO. Estos resultados confirmaron que el rendimiento de adsorción de la monocapa ZnO-C₃N permite su aplicación potencial como scavenger de gases para barrer SO₂, SOF₂ y SO₂F₂ de equipos de alto voltaje, manteniendo la rigidez dieléctrica y la operación segura del sistema eléctrico. Además, la teoría de orbitales moleculares fronterizos implica que la monocapa ZnO-C₃N posee la posibilidad de estimar el estado dieléctrico de equipos de aislamiento con SF₆ como indicador, dado los cambios obvios en conductividad causados por la adsorción de los gases mencionados.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos y materiales se proporcionan en el manuscrito y archivo suplementario.