《Surfaces and Interfaces》：H
2S Sensing and SO
2 Removal Utilizing 2D Polyaramid: A DFT Study
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二维聚酰亚胺单层材料对SO?和H?S的吸附特性及传感性能研究。采用DFT和NEGF方法计算表明，2DPA对SO?吸附能（-1.11 eV）显著高于H?S（-0.82 eV），H?S吸附引起能带结构改变并表现出φ型传感特性，具备高响应性和可重复使用优势，为气体传感器和吸附剂开发提供新思路。
雷兹万·拉希米（Rezvan Rahimi）| 穆罕默德·索利曼纳贾德（Mohammad Solimannejad）
伊朗阿拉克（Arak）分子工程与科学研究所（Molecular Engineering & Sciences Institute, Arak, Iran）
摘要
识别对有毒气体分子具有内在选择性的材料对于开发高选择性和高灵敏度的气体传感器至关重要。近年来，二维单层材料已成为此类应用中特别有前景的候选材料。在本研究中，我们利用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算方法，研究了新合成的二维聚酰胺（2DPA）单层材料对有害气体SO?和H?S的吸附行为。研究结果表明，2DPA与SO?之间的相互作用尤为显著，使其成为一种高效的污染物捕获材料。2DPA对SO?和H?S的吸附能分别为?1.11 eV和?0.82 eV，同时伴随着大约12个和2个毫电子的电荷转移。H?S的吸附会显著改变单层的电子能带隙，表明其具有明显的分子特异性传感行为。此外，2DPA单层材料还表现出φ型传感器特性，在暴露于H?S气体时导电性增加、电阻降低，这一现象通过电流-电压（I-V）分析得到了验证。综合来看，这些结果表明2DPA是一种高效的SO?吸附和去除材料，同时也是一种可重复使用的高性能电子传感器和φ型H?S传感器。
引言
有效检测有毒气体在工业领域和日常生活中都具有重要意义。含硫气体主要来源于工业活动，是重要的环境污染物。近年来，由于氢硫化物（H?S）和二氧化硫（SO?）对环境和人类健康的危害，这些气体引起了全球关注。吸入H?S会严重损害神经系统，导致器官损伤、昏迷甚至死亡。此外，大气中H?S浓度的升高还会导致酸雨的形成，对各种产品和基础设施造成严重破坏。同样，SO?也会对植物健康构成威胁，抑制生长并对敏感的生态系统和水生系统产生不利影响。因此，开发能够高效检测这些有害气体的纳米传感器至关重要[1]。
二维（2D）材料因其高表面积与体积比和优异的载流子传输性能而被视为气体传感器的理想候选材料[[2], [3], [4], [5]]。最近，文献中报道了使用B?N单层[2]、Penta-BCP单层[3]、掺金B?CN?单层[6]、含氟缺陷的AlN纳米片[7]、GeP?单层[8]、Cu?O修饰的石墨烯单层[9]、掺铌的MoS?（具有双S空位缺陷）[10]、α/β/γ-FeB?单层[11]以及未经掺杂和掺铂的WS?单层[12]来检测含硫气体分子的研究。
最近，研究人员成功合成了一种共价键合的二维聚合物——聚酰胺[13]。这种2D聚酰胺单层（2DPA）可用于多种应用，包括气体选择性膜（用于气体分离[14]）、能量存储系统[15]、传感器[16]和药物输送系统[17]。在本研究中，我们首次探讨了2DPA作为传感器和去除有害气体（如H?S和SO?）平台的潜力。其创新之处在于使用了未经改性的2DPA材料，无需进行复杂的后合成化学修饰，这简化了大规模生产过程。2DPA晶格中均匀分布的孔洞结构为H?S和SO?分子提供了易于接触的吸附位点，且几乎没有空间位阻。
在这项工作中，我们结合密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数形式主义（NEGF）进行了全面的第一性原理研究，评估了2DPA单层对H?S和SO?的传感性能。通过计算吸附能、电荷转移量、电子局域化函数图、能带结构变化以及环境温度下的恢复时间（τ），我们提供了针对未改性2D聚合物与这些有毒气体相互作用的定量描述参数。我们的方法创新之处在于：（i）首次将2DPA同时用作H?S传感器和SO?去除剂；（ii）无需掺杂或表面修饰，从而简化了合成过程并提高了实际应用性；（iii）利用了2DPA晶格中的天然孔隙结构，实现了对小分子的高效捕获而无需改变材料结构。这种整合的DFT + NEGF工作流程提供了从电子结构变化到动态响应的完整传感性能评估，使我们的研究区别于以往关于2D传感器材料的报道。
计算方法
密度泛函理论计算使用了SIESTA代码[18]进行，该代码广泛用于模拟固态系统的电子和结构特性。在这些模拟中，交换-相关效应采用广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）的Perdew–Burke–Ernzerhof公式[18,19]来描述。为了准确考虑长程分散力，还应用了Grimme的DFT-D3校正方案[
二维聚酰胺（2DPA）单层
在对2DPA单层进行初始优化时，系统地调整了参数，如k点、轨道截止值和晶格常数，使用的是SIESTA软件包。优化后的2×2超胞包含48个碳原子、24个氢原子、24个氮原子和12个氧原子，如图1所示。该图展示了有毒气体分子的完全优化几何结构。2DPA单层具有三种不同的环类型，分别标记为R1至R3。
结论
本研究利用密度泛函理论（DFT）计算方法，全面分析了2DPA单层对有害气体SO?和H?S的吸附特性和传感性能。研究结果表明：2DPA表面与SO?分子之间存在强烈的放热化学吸附作用，表明其具有潜在的气体捕获和去除能力。相比之下，H?S在2DPA表面的吸附行为则有所不同
数据可用性声明
本研究生成的数据集可向相应作者（M. Solimannejad和R. Rahimi）提出合理请求后获取。
作者贡献
雷兹万·拉希米（Rezvan Rahimi）：软件开发、实验研究、撰写初稿
穆罕默德·索利曼纳贾德（Mohammad Solimannejad）：概念构思、验证、审稿和编辑
CRediT作者贡献声明
雷兹万·拉希米（Rezvan Rahimi）：撰写初稿、软件开发、实验研究。
穆罕默德·索利曼纳贾德（Mohammad Solimannejad）：审稿与编辑、验证、概念构思。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
