用于检测SF6分解有害气体的内在改性Janus NbSSe（Cu-、Ag-和Au修饰）：密度泛函理论（DFT）计算及气体传感机制验证

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Intrinsic, Cu-, Ag-, and Au-modified Janus NbSSe for detection of SF 6 decomposition harmful gases: DFT calculations and gas-sensing mechanism verification

SF6分解产物监测及Janus NbSSe材料改性研究采用DFT计算系统评估了H2S、SO2、SOF2、SO2F2在原始及Cu/Ag/Au修饰Janus NbSSe上的吸附特性，发现Cu-NbSSe对H2S响应最佳，Ag-NbSSe具有选择性，Au-NbSSe高效监测SO2，且高温下响应时间<1秒。该研究为SF6设备状态监测和环境保护提供理论支撑。

　　

杨强龙|桂英刚|李杰|陶家贵|张吉涛|张清芳

中国重庆西南大学工程技术学院，400715

摘要

监测六氟化硫（SF₆）的分解产物既有助于评估设备状况，也有助于环境保护。本研究选取了四种代表性的SF₆分解产物（H₂S、SO₂、SOF₂和SO₂F₂）作为目标分析物。通过密度泛函理论（DFT）计算，系统评估了这些有害气体在天然Janus NbSSe以及Cu–、Ag–和Au–NbSSe表面的气体传感行为。结果表明，态密度（DOS）图中的大量重叠区域表明NbSSe内部存在强烈的原子间相互作用。天然Janus NbSSe单层对所研究气体的吸附能量约为2电子伏特（eV），使其成为一种有前景的吸附剂。经过Cu、Ag和Au原子修饰后，吸附能量降低，使该材料更适用于传感器应用。具体来说，Cu–NbSSe适用于H₂S的检测，Ag–NbSSe具有选择性检测H₂S的潜力，而Au–NbSSe可有效用于SO₂的监测。此外，这些系统在298开尔文（K）下的恢复时间超过几小时，在498开尔文下的恢复时间小于1秒，使其成为理想的加热气体传感器候选材料。总体而言，这些研究结果为设计先进的气体传感器和吸附剂材料提供了理论基础。

引言

六氟化硫（SF₆）是一种性能优异的气体绝缘介质，广泛应用于包括气体绝缘变压器、气体绝缘开关设备和气体绝缘输电线路在内的关键电气设备中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，在这些设备长期运行过程中，不可避免地会出现绝缘故障，如局部放电、电弧放电、火花放电和电晕放电，这些故障会引发SF₆的分解，产生H₂S、SO₂、SOF₂和SO₂F₂等气体[6]、[7]、[8]、[9]。这些气体不仅会破坏设备的绝缘性能，还会带来严重的环境风险[4]、[10]。因此，检测这些分解产物对于评估电气设备的绝缘状态和促进环境保护至关重要。

二维（2D）纳米材料是制造传感器的重要材料，其中过渡金属硫属化合物（TMDs）是一类典型的材料[11]、[12]、[13]、[14]。然而，TMDs的载流子迁移率较低，限制了其在气体传感器领域的实际应用[15]、[16]。与传统的TMDs不同，Janus TMDs是一类由一种金属原子和两种不同非金属原子组成的2D纳米材料，具有不对称的结构特性[17]、[18]、[19]、[20]。这种不对称结构可以产生独特的内部偶极矩和电场，从而有效提高传感性能[15]。目前，MoSSe、WSSe和ZrSSe等Janus TMDs常用于气体传感性能研究，而关于Janus NbSSe的研究仍然较少[18]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。

此外，大量研究表明，过渡金属（TM）原子的修饰可以在2D纳米材料表面引入吸附位点，从而提高传感器的性能[26]、[27]、[28]。这是因为2D纳米材料的本征晶体结构在经过过渡金属原子修饰后会发生变化，形成电子-空穴捕获陷阱，从而产生新的气体吸附活性位点[29]、[30]。Cu、Ag和Au是常用的修饰剂，具有优异的修饰效果[8]、[31]、[32]。因此，研究Cu、Ag和Au修饰后的Janus NbSSe的气体传感性能具有重要意义。

在本研究中，选取了四种有害气体作为目标气体，包括H₂S、SO₂、SOF₂和SO₂F₂（它们都是SF₆的分解产物）。通过密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了这些目标气体与天然Janus NbSSe单层以及Cu、Ag和Au修饰后的NbSSe单层之间的气体传感相互作用。分析内容包括几何构型、前线分子轨道、吸附行为、电子态密度（DOS）、脱附动力学、差分电荷密度（DCD）分布和功函数演变。本研究为设计针对这些有害物质的高性能吸附剂和气体传感器提供了重要的理论依据，不仅有助于推进SF₆绝缘电气设备的在线监测技术，也有助于更广泛的环境保护工作。

计算细节

本文中呈现的所有数据均通过密度泛函理论（DFT）计算获得[33]、[34]。作为基底，构建了一个4×4×1的Janus NbSSe超胞，其晶格参数为13.7446 ? × 13.7446 ? × 29.6059 ?，其真空层厚度为20 ?[33]、[35]。对于几何优化和电子性质计算，使用了7 × 7 × 1的Monkhorst–Pack k点网格[19]，而用于前线轨道分析的网格精度提升至1 × 1 × 1[36]。其他

气体和天然Janus NbSSe的模型

四种有害气体和天然Janus NbSSe的几何模型如图1所示。H₂S气体的键角为91.233°，键长为1.357 ?。SO₂分子的键长为1.480 ?，键角为120.033°。SOF₂由一个S–O键和两个S–F键组成，S–O键的键长为1.670 ?，S–F键的键长为1.460 ?。SOF₂的F–S–F键的键角为92.128°。在SO₂F₂气体模型中，S–O键的长度为1.441 ?

结论

本研究选取了四种有害气体（H₂S、SO₂、SOF₂和SO₂F₂）作为目标气体，用于监测SF₆绝缘设备的运行状态。通过DFT计算，系统研究了这些有害气体在天然Janus NbSSe以及Cu、Ag和Au修饰后的NbSSe表面的气体传感性能，从几何结构优化、前线分子轨道分析、吸附能量变化等多个角度进行了探讨

CRediT作者贡献声明

杨强龙：撰写 – 审稿与编辑，方法论，概念构思。桂英刚：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论。张清芳：验证。张吉涛：验证。李杰：验证，方法论。陶家贵：验证，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。