对原始和掺杂（Rh, Ir）的InSe单层膜上断层气体吸附的密度泛函理论（DFT）研究，旨在探索用于油浸变压器中的新型传感器技术

《Surfaces and Interfaces》：DFT study of fault gas adsorption on pristine and doped (Rh, Ir) InSe monolayers for novel sensor exploration in oil-immersed transformers

　　

崔浩|蒲一健|张寅航|吴海龙|刘屯

中国重庆西南大学人工智能学院，邮编400715

摘要

基于密度泛函理论，本研究系统地探讨了H₂和C₂H₂（变压器油中两种关键的溶解气体）在未经掺杂、掺杂Rh和掺杂Ir的InSe单层膜上的吸附行为，以评估其气体传感潜力。通过将优化后的InSe单层膜中的Se原子替换为Rh或Ir原子来制备掺杂样品。结构和电子分析表明，Rh和Ir的掺杂显著增强了原始表面的化学反应性，其中掺杂Ir的系统表现出更好的稳定性。对吸附构型、电荷密度差异、能带结构和态密度的详细研究表明，与原始和掺杂Rh的系统相比，掺杂Ir的InSe单层膜对H₂和C₂H₂的吸附能力更强，传感响应也更高。恢复时间分析进一步表明，这两种掺杂单层膜在室温下对H₂具有可行的再生能力，在较高温度下对C₂H₂也具有再生能力，确保了它们可用于循环检测。这些发现突显了金属掺杂剂选择在调节基于InSe的材料的吸附行为和传感功能中的关键作用。本研究为开发用于油浸式电压变压器中溶解气体分析的高性能电阻式气体传感器提供了理论基础和设计策略。

引言

作为电力网络中不可或缺的组成部分，油浸式变压器是最重要且成本最高的资产之一，其在电压转换和能量传输中发挥着至关重要的作用[[1], [2], [3]]。这些设备的运行完整性在很大程度上依赖于油-纸绝缘系统，这是维持电网稳定性和安全性的基础[4]。尽管这种绝缘结构在标准使用条件下具有很高的耐用性，但早期的绝缘异常（如局部放电或过热）可能会破坏油和纤维素纸中的化学键[5]。这种分解会导致某些诊断气体的释放，包括H₂、C₂H₂和C₂H₄，这些气体随后会溶解在绝缘油中，可能影响油的性能[6]。研究表明，这些溶解气体的成分和浓度与潜在故障的类型和强度密切相关[7]。例如，H₂是局部放电产生的主要气体，而C₂H₂则表明存在与电弧相关的故障，这两种气体的存在可以反映变压器中存在放电相关缺陷[8]。因此，聚焦于检测H₂和C₂H₂等特征气体的溶解气体分析（DGA）已成为评估油浸式变压器状况和降低严重运行故障风险的一种广泛使用且有效的方法[9;10]。

在气体检测领域，基于纳米材料的传感器代表了DGA的一项革命性进展[11;12]，因为它们具有体积小、成本低和灵敏度高的优点[13;14]。这些特性使得能够实时追踪H₂和C₂H₂等关键故障指示气体，从而实现早期故障检测和及时干预，防止变压器发生灾难性故障[15]。近年来，研究越来越多地关注二维（2D）纳米材料[16;17]，包括石墨烯、过渡金属硫属化合物和III-IV族化合物。这些2D系统具有高比表面积和可调的电子特性[[18], [19], [20]]，使其成为构建高灵敏度、低功耗和紧凑型气体传感器的理想候选材料，能够识别微量目标分子[21;22]。在这些2D材料中，III-IV族硫属化合物因其高的载流子迁移率和显著的表面反应性而受到广泛关注[23]，使其成为高性能气体传感应用的有希望的候选材料[24]。一个显著的例子是InSe单层膜，它结合了超高的表面积与体积比、优异的载流子迁移率、可调的带隙和明显的表面活性[25]。理论研究证实了原始InSe单层膜对多种气体的良好选择性及可接受的恢复行为[26]。此外，为了进一步提高其气体传感性能，金属修饰被广泛采用作为一种有效策略。密度泛函理论（DFT）模拟表明，用Pd和Pt等贵金属修饰InSe可以显著增强气体吸附行为，并在与各种有害气体相互作用时促进电荷重新分布，这可以归因于金属掺杂剂的催化和电子贡献[27]。同样，熊慧慧等人证明，掺杂Ni的InSe单层膜在室温下对SO₂的检测具有出色的潜力，而在多种有毒气体中也是如此[28]。然而，基于InSe的材料在油浸式变压器的DGA中的应用仍大多未被探索。迄今为止，很少有理论或实验研究系统地探讨了InSe单层膜对H₂和C₂H₂等关键故障气体的吸附行为和传感性能，特别是在贵金属功能化的背景下。这些分析共同强调了基于InSe的材料在带有贵金属修饰的DGA应用中的重要性，为未来研究开发先进的气体传感器提供了理论见解和材料设计指导。

铑（Rh）和铱（Ir）作为公认的具有优异化学稳定性和催化性质的贵金属，已被广泛用作2D系统中的表面掺杂剂[29]。现有研究表明，Rh或Ir的掺杂可以显著提高各种纳米材料基底的气体传感性能，包括掺杂Rh的MoTe₂[30]、掺杂Rh的石墨烯[31]和掺杂Ir的MoSe₂[32]。这种改进主要归因于掺杂剂通过增强表面反应性和定制电子特性来加强与气体分子的相互作用。这些证据表明，将Rh或Ir引入InSe晶格中可能通过利用这些贵金属的独特化学和电子特性进一步优化其气体检测能力[33]。在这项工作中，我们通过DFT计算系统地研究了原始、掺杂Rh和掺杂Ir的InSe单层膜对两种与放电相关的气体H₂和C₂H₂的吸附和传感行为。本研究旨在评估它们在油浸式电压变压器中用于DGA和早期识别绝缘缺陷的潜力。这些发现通过展示基于InSe的材料的潜力以及贵金属掺杂的有益效果，推动了气体传感技术的发展，为新型气体传感器的开发铺平了道路。

章节片段

计算细节

我们的理论框架使用DMol³软件包实现[34;35]，并选择了Perdew–Burke–Ernzerhof广义梯度近似（PBE-GGA）泛函来描述电子交换-相关作用[36]。选择PBE-GGA泛函是因为它在描述2D系统中的交换-相关效应方面具有平衡的准确性和效率。为了准确捕捉弱分子间力（特别是在层状材料系统中），还使用了Tkatchenko-Scheffler（TS）方法

原始InSe晶格中的Rh和Ir掺杂

首先进行几何优化，以获得原始、掺杂Rh和掺杂Ir的InSe单层膜的完全放松配置。对原始系统和掺杂系统之间的几何和电子特性进行比较分析是必要的，因为这可以阐明贵金属掺杂对InSe单层膜内在特性的影响。三种系统的优化结构如图1所示。为了定量评估结构

结论

通过DFT计算，本研究证明了Ir-InSe单层膜对H₂和C₂H₂的卓越传感潜力，其性能优于掺杂Rh和原始InSe系统。主要发现如下：

• i)
  结构稳定性分析显示，Rh-InSe单层的E_form为-0.23 eV，Ir-InSe单层的E_form为-0.83 eV，表明掺杂Ir的配置具有更强的稳定性。
• ii)
  气体吸附研究表明，所有三种单层膜对C₂H₂的亲和力都比对H₂的亲和力更强，尤其是掺杂Rh的单层膜

作者声明在提交本文时没有利益冲突。

崔浩：撰写 - 初稿；资金获取；

蒲一健：正式分析；实验研究；

张寅航：实验研究；

吴海龙：指导；资金获取；

刘屯：指导；撰写 - 审稿与编辑。

崔浩：撰写 – 初稿，资金获取。蒲一健：实验研究，正式分析。张寅航：实验研究。吴海龙：指导，资金获取。刘屯：撰写 – 审稿与编辑。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究得到了四川省科学技术计划（项目编号2026NSFSC1197）和广西自然科学基金（项目编号2026GXNSFAA00640815和2024GXNSFBA010217）的支持。