过渡金属原子（Zn/Mn）修饰锡空位SnSe单层对SF6分解气体的吸附特性与电子机制研究

《Results in Surfaces and Interfaces》：X-SnSe (X=Zn and Mn):Transition metal atom modified Sn vacancy SnSe monolayer adsorption properties and electronic mechanisms towards SF 2, HF, SOF 2, SO 2 and H 2S

本研究针对高压绝缘设备中SF6分解气体（SF2、HF、SOF2、SO2、H2S）的在线监测需求，通过第一性原理计算分析了Zn/Mn掺杂SnSe单层材料的吸附性能与电子行为。结果表明，Zn-SnSe和Mn-SnSe对SO2、HF、H2S的吸附能（0.4–0.8 eV）处于理想检测范围，且掺杂后材料导电性提升，为开发高选择性气体传感器提供了理论依据。该研究对智能电网故障预警与SF6回收净化具有重要应用价值。

　　

在高压绝缘开关设备（GIS）和气体绝缘输电线路（GIL）中，六氟化硫（SF₆）因其卓越的灭弧和绝缘性能被广泛使用。然而，设备长期运行中产生的局部放电或过热故障会导致SF₆分解产生SF₂、HF、SOF₂、SO₂、H₂S等特征气体，严重削弱绝缘性能。目前亟需开发高灵敏度、快速响应的气体传感器，实现对上述气体的在线监测。二维材料SnSe因其层状半导体结构和窄带隙（0.9–1.5 eV）在气体传感领域展现潜力，但本征SnSe对特定气体的吸附选择性有限，需通过掺杂改性提升性能。

本研究采用第一性原理计算（基于密度泛函理论，DFT），通过Dmol³软件包模拟Zn和Mn原子掺杂Sn空位SnSe单层（Zn-SnSe、Mn-SnSe）对五种SF₆分解气体的吸附行为。关键方法包括：使用GGA-PBE泛函处理交换关联能，设置4×4×1和7×7×1的Monkhorst-Pack k点网格进行结构优化与能量计算，采用DNP基组描述原子轨道，并通过Grimme色散校正处理长程相互作用。结合吸附能（E_ads）、电荷转移（Q_Tra）、态密度（DOS）、HOMO-LUMO能级和功函数（WF）等参数分析电子机制。

3.1 本征SnSe表面对气体的吸附特性

优化后的SnSe单层呈交错层状结构，Se–Sn键长为2.905 ?（Bond-1）和2.841 ?（Bond-2）。吸附能力排序为SF₂> SO₂> SOF₂> H₂S > HF，其中SF₂系统吸附能最高（-0.910 eV），且H₂S是唯一作为电子供体的气体。

3.2 Zn/Mn掺杂体系的几何结构与电子行为

Zn和Mn原子成功替代Sn空位，形成稳定化学键（Zn–Se键长2.668 ?，Mn–Se键长2.655 ?）。掺杂后体系结合能分别为-2.150 eV（Zn）和-6.327 eV（Mn），表明Mn掺杂结构更稳定。差分电荷密度（DCD）显示掺杂原子周围电子云集中，且Zn、Mn在掺杂过程中均作为电子供体。态密度分析表明掺杂使费米能级附近电子态密度增加，导电性提升。

3.3 掺杂表面对气体的吸附性能

Zn-SnSe和Mn-SnSe对SO₂、HF、H₂S的吸附能处于0.4–0.8 eV的理想传感范围。SF₂和SOF₂吸附过程中S–F键断裂，属化学吸附。H₂S在所有体系中均作为电子供体，而其他气体为电子受体。真空中与水环境中吸附趋势一致，但微量水分可增强吸附性能，尤其对SF₂系统。

3.4 分子轨道理论与功函数分析

掺杂后HOMO-LUMO能隙减小，电子跃迁概率增加。SF₂和SOF₂吸附系统的能隙缩减最显著，与其高电荷转移量相符。功函数分析显示掺杂使体系功函数从4.218 eV降至3.891 eV，除H₂S系统外，其他气体吸附均导致功函数升高，表明电阻型气体传感潜力。

本研究通过DFT计算证实，Zn/Mn掺杂SnSe单层材料对SF₆分解气体（尤其是SO₂、HF、H₂S）具备优异吸附选择性和灵敏度。掺杂优化了电子结构，增强导电性与气体识别能力，为高压绝缘设备在线故障诊断提供了新型敏感材料设计思路。相关成果发表于《Results in Surfaces and Interfaces》，对智能电网运维与环保型气体处理技术发展具有推动作用。