基于第一性原理计算Mn掺杂MoS2对油中溶解气体的吸附性能

CO、C₂H₂、CH₄是溶解在变压器油中的典型故障特征气体,其种类和浓度能够反映油浸式变压器绝缘故障的不同类型和严重程度,进行油中溶解气体分析是在线检测变压器运行状态的重要方法.基于第一性原理,通过Mn-MoS₂单层对三种气体的吸附能、转移电荷、态密度和形变电荷密度等参数以及解吸性能分析和灵敏度计算,提出了一种基于Mn-MoS₂材料的气敏传感器对油中溶解气体进行分析的方法.结果表明Mn-MoS₂对CH₄是物理吸附,对CO和C₂H₂是化学吸附.对于Mn-MoS₂来说,CH₄在常温下吸附能力差且灵敏度低,CO在不同温度下均有较强的吸附能力,而C₂H₂在常温下吸附稳定,高温下易解吸且响应灵敏度高.因此,Mn掺杂的MoS₂体系可预期作为CO的气体吸附剂和检测C₂H     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

Ti掺杂W$lt;sub$gt;18$lt;/sub$gt;O$lt;sub$gt;49$lt;/sub$gt;纳米线的电子结构与NO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;敏感性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,通过理论建模,研究了Ti掺杂的非化学计量比W₁₈O₄₉纳米线的几何与能带结构以及电子态密度,并通过进一步计算NO₂/Ti-W₁₈O₄₉纳米线吸附体系的吸附能、电荷差分密度与电荷布居,分析了Ti掺杂W₁₈O₄₉纳米线的气体吸附与敏感性能. 计算发现,Ti掺杂改变了W₁₈O₄₉纳米线的表面电子结构,引入的额外的杂质态密度和费米能级附近能带结构的显著变化,使掺杂纳米线带隙与费米能级位置改变,纳米线导电性能增强. 吸附在W₁₈O₄₉纳米线表面的NO₂作为电子受体从纳米线导带夺取电子,导致纳米线电导降低,产生气体敏感响应. 与纯相W₁₈O₄₉纳米线相比,NO₂/Ti-W₁₈O₄₉纳米线吸附体系内部存在更多的电子转移,从理论上定量地反映了Ti掺杂对改善W₁₈O₄₉纳米线气敏灵敏度的有效性. 对Ti掺杂纳米线不同气体吸附体系电子布居的进一步计算表明,Ti掺杂纳米线对NO₂气体具有良好的灵敏度和选择性. 关键词： 密度泛函计算 Ti掺杂 18O₄₉纳米线')" href="#">W₁₈O₄₉纳米线 气敏     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO

基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O₂和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O₂和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O₂后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.     

金属Sc修饰Ti2CO2吸附气体分子的第一性原理研究

基于第一性原理计算研究了Ti₂CO₂和金属Sc修饰的Ti₂CO₂的几何结构和电子性质,分析了不同有害气体(CO, NH₃, NO, SO₂, CH₄, H₂S)在这两种材料表面的吸附过程,讨论了金属修饰对Ti₂CO₂二维过渡金属碳化物(MXene)电子性能和气体吸附性能的影响.计算结果表明, Sc原子位于空心位C原子上方的结构具有较大的结合能,但小于固体Sc的内聚能实验值(3.90 e V), Sc原子可以有效避免成簇.表面Sc金属为气体吸附提供了活性位点.通过分析不同气体的最佳吸附点位、吸附能等参数,分析金属Sc修饰的Ti₂CO₂对这些气体的吸附效果.其中对SO₂的吸附效果更好,吸附能从–0.314 eV提升到–2.043 eV,其他气体的吸附效果均有改善.通过电荷转移、态密度和功函数等参数解释了其吸附...     

Pt掺杂MoSe2吸附CF3I分解组分的第一性原理研究

CF₃I作为SF₆最具潜力的新型环保绝缘气体,在电气设备出现局部放电、过热等缺陷故障时,会产生C₂F₆和C₂F₄等强温室气体,为确保电力设备稳定运行,有必要对CF₃I典型分解组分吸附去除.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过吸附能、吸附距离、电荷转移和态密度等吸附指标,分别探究了不同数量Pt掺杂MoSe₂对C₂F₆和C₂F₄气体分子的吸附性能.研究结果表明：不同数量Pt掺杂在MoSe₂表面均存在稳定的掺杂结构,且相较本征MoSe₂,Pt掺杂后的MoSe₂导电性均得到了有效增强;Pt掺杂MoSe₂对CF₃I分解组分的吸附效果：Pt₂-MoSe₂>Pt-MoSe<...     

新型NO2化学传感器:碳化硅纳米管

气体吸附对碳化硅纳米管的电子结构的影响是理解碳化硅纳米管气敏传感器工作机理的基础.基于密度泛函理论,利用CASTEP软件包计算NO₂气体吸附前后的碳化硅纳米管的结构及其电子结构.结果表明,NO₂气体与碳化硅纳米管间形成了稳定的吸附,并明显的增强了碳化硅纳米管的导电特性.碳化硅纳米管是制备气体传感器的理想材料之一,为开发应用于NO₂气体检测的碳化硅纳米管提供必要的理论支持.     

Si改性MoS2对g3环保气体典型分解组分的吸附特性研究

g3(green gas for gird)环保气体(C₄F₇N/CO₂混合)作为SF₆最具潜力的新型环保绝缘替代气体,近几年来受到了广泛关注.通过分析g3气体绝缘组合开关设备中的分解组分来检测局部放电、过热等缺陷故障,对于电力设备运行状态的评估和诊断具有重要作用.本文提出利用Si原子掺杂改性来提高MoS₂的气敏和吸附性能,并基于密度泛函理论(DFT)的计算方法,通过吸附能、电荷转移、态密度和局部态密度等参数指标,探究了本征MoS₂、Si改性MoS₂(Si-MoS₂)对g3气体典型分解组分—COF₂、CF₄、CF₃CN的吸附气敏机理.分析表明Si原子在MoS₂表面具有稳定的掺杂结构,相比本征MoS₂,Si原子改性之后的MoS₂的导电性得到了有效增强;Si-MoS₂     

沸石类咪唑骨架材料吸附分离天然气的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛方法研究C₂H₆, CO₂和CH₄三种气体在两种沸石类咪唑骨架材料 (ZIF)-ZIF-2和ZIF-71中的吸附与分离性能. 考察了C₂H₆, CO₂和CH₄三种气体在ZIF-2和ZIF-71中的单组分吸附等温线、吸附热; C₂H₆-CH₄, CO₂-CH₄ 与C₂H₆-CO₂等摩尔二元混合物的分离; 以及C₂H₆-CO₂-CH₄三元体系的分离性能. 研究结果表明: 低压下不同气体的吸附量大小与其吸附热关系紧密; 而高压下因有限的孔空间, 尺寸较小的气体分子吸附量增长趋向更快; 多组分吸附分离中, 低压下能量效应通常占据主导, ZIF优先吸附作用力较强的组分; 高压下堆积效应影响显著, ZIF会优先吸附尺寸较小的组分. ZIF-2和ZIF-71对这3种二元体系的分离性能良好. 对于三元混合物吸附分离, 在常温下3000-4000kPa范围内, ZIF-2具有良好的天然气净化性能, 可有效地分离出天然气中的C₂H₆和CO₂. 关键词： 巨正则蒙特卡洛模拟 天然气分离 沸石类咪唑骨架     

Y掺杂空位石墨烯对NO及CO气体表面吸附的第一性原理研究

摘　要：基于第一性原理的计算方法,建立了本征石墨烯、空位石墨烯及钇( Y)掺杂空位石墨烯模型,并计算了CO、NO在三类石墨烯表面的吸附过程. 从表面能、吸附结构、吸附能和态密度四个方面进行分析讨论,研究掺杂Y对CO、NO气体吸附性能的影响. 结果表明：CO、NO与本征石墨烯之间的吸附为弱的物理吸附,掺杂Y后增强了材料表面对CO、NO的吸附效果,最大吸附能分别为7.414eV、6.702eV,属于化学吸附;掺杂Y使空位石墨烯费米能级附近有了更多的活跃电子,其吸附NO后体系由半金属转变为金属特性,该特性能为开发更加优良的石墨烯气敏材料提供理论支持.     

电荷调控下Ti3C2O2和V2CO2吸附CH4的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算首先研究了Ti3C2O2和V2CO2与CH4气体分子之间的相互作用,发现Ti3C2O2和V2CO2对CH4的吸附较弱属于物理吸附,不适宜用作探测CH4。在此基础上研究了电荷调控下CH4气体分子与Ti3C2O2和V2CO2之间的相互作用。结果表明：随着体系电荷态的增加,Ti3C2O2和V2CO2对CH4气体分子的吸附作用逐渐增加变为化学吸附。当体系电荷态大于或等于-2时,CH4气体分子在Ti3C2O2和V2CO2表面可以被有效捕获。撤去电荷后,Ti3C2O2、V2CO2与CH4气体分子之间的吸附恢复至物理吸附,CH4气体分子易脱附。因此,通过调控Ti3C2O2和V2CO2的电荷态,可以简单地实现CH4的捕获与释放。Ti3C2O2和V2CO2有望成为CH4探测或捕获材料。     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

CH_4/H_2O/CO_2在β-SiO_2(100)面吸附的第一性原理研究

多孔介质中的吸附直接影响页岩气赋存、运移.基于密度泛函理论从量子力学角度研究CH_4/H_2O/CO_2在页岩储层主体矿物成分SiO_2上的吸附构型和吸附特性,计算并分析了吸附能与态密度等特征.研究表明:CH_4、H_2O和CO_2在β-SiO_2(100)面的吸附能分布在-0.2 eV～-0.1eV区间内,为物理吸附;最小吸附能大小依次为:CH_4 H_2O CO_2,即,CO_2的吸附能力最强,H_2O次之,CH_4最弱;各吸附质处于吸附能最大与最小时的键长键角变化均小于1%,最大吸附能对应的吸附质键长键角变化率均大于吸附能最小时的,吸附质的物理结构变化微弱表明其所受作用力微弱;基底处于最稳定吸附位时态密度基本重合,表明各吸附质与β-SiO_2表面相互作用相似且差异较小;CH_4、H_2O、CO_2的态密度均出现不同程度偏移,且CO_2在能量更低的区域具有态密度分布,更易优先吸附.     

A first-principles study of gas molecule adsorption on hydrogen-substituted graphdiyne

Hydrogen-substituted graphdiyne (HsGDY) is a novel alkynyl carbon material with a structure similar to that of graphene. In this paper, the adsorption of four gas molecules (NO, NO₂, NH₃, and N₂) on HsGDY and B-doped HsGDY (B-HsGDY) was studied using density functional theory. The results show that the adsorption of NO and NO₂ on HsGDY and B-HsGDY is characterized by a larger charge transfer, stronger interaction, and higher adsorption energy compared with that of NH₃ and N₂. Based on the doping with B atoms, the adsorption energies of the gas molecules on HsGDY significantly improve, especially that of NO and NO₂. The gas molecule adsorption on both HsGDY and B-HsGDY is physical adsorption and the adsorption selectivity is good and thus may be applied for gas-sensitive NO and NO₂ materials.     

Au掺杂CNT吸附NO的第一性原理研究

碳纳米管(CNT)对于气体有超强的敏感性,可用于制备基于CNT的有害气体传感器.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究Au掺杂CNT对NO和O_2的吸附特性.对吸附能、最终吸附距离、电荷转移量、态密度等的分析显示,Au掺杂使得CNT与NO间的交互作用明显增强,其中N原子端靠近CNT交互作用更强.禁带宽度和电荷密度分析表明,相比于NO分子中O原子端或者O2吸附,NO分子中N原子端与CNT发生交互作用会使体系导电性变化更为明显.说明Au掺杂能够很好地屏蔽空气中O_2对CNT导电性的影响,Au掺杂CNT作为NO气敏材料是可行的.     

ITO负载单原子钇吸附NO和CO的第一性原理研究

基于密度泛函理论,对氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)表面负载单原子Y模型的表面性能进行了第一性原理计算.根据表面能计算结果可知,单原子Y最稳定负载位置为空位(H),即确定了ITO负载单原子钇(Single-atom Y supported on ITO,Y/ITO)稳定模型.对ITO和Y/ITO表面吸附气体分子(NO和CO)模型的吸附性能进行了第一性原理计算.根据对比ITO和Y/ITO表面的吸附能和态密度计算结果可知,单原子钇负载提高了ITO表面的稳定性和吸附性能.根据对比Y/ITO表面吸附NO和CO气体分子的吸附能和态密度计算结果可知,NO和CO气体分子吸附均为自发行为,过程放热.且NO气体分子更容易吸附在Y/ITO表面,即Y/ITO对NO气体分子更敏感.     

掺杂硅烯吸附CO分子的第一性原理研究

硅烯具有独特的电子、光学、热学、力学以及量子特性,在电子器件、电极材料、储氢材料、催化剂和气体传感器等领域有巨大的潜在应用价值.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,利用Materials Studio软件中的CASTEP程序包对硅烯与CO分子之间的吸附行为进行了研究.重点研究了硅烯掺杂方式、CO分子吸附构型及硅烯空位缺陷浓度对CO分子吸附的影响,研究结果表明：1)空位缺陷硅烯对CO分子的吸附能力最强;2)碳原子垂直朝向空位缺陷硅烯更有利于CO分子的吸附;3)硅烯对CO分子的吸附能力随其空位浓度的增加显著增强;4)空位硅烯向CO分子转移电荷,电荷转移量与二者的吸附作用强弱呈正相关.该研究可为硅烯基CO气体传感器的设计提供理论指导.     

DFT investigation of gas sensing characteristics of Au-doped vanadium dioxide

Vanadium dioxide compounds are affordable and effective materials with large potential in gas sensing applications. However, it is still very challenging for available experiments to provide an in-depth understanding of sensing mechanism of VO₂-based materials. In this work, density functional theory and molecular dynamics are applied to explore adsorption and diffusion of H₂, CO₂, CO and CH₄ gases molecules in Au-VO₂. Based on calculated adsorption energy, change transfer, charge density difference and density of state, a strong sensing characteristics of Au-VO₂ toward CH₄ gas is concluded, which is consistent with experimental conclusions. It is also inferred that H₂, CO and CO₂ relate physical adsorption, and CH₄ corresponds to a chemical adsorption. The diffusion of CH₄ in Au-VO₂ is more difficult than the other gases due to the chemical adsorption of CH₄.