Адсорбция продуктов разложения SF6 на ZnO-модифицированном C3N:теоретическое исследование

Введение

В связи с быстрым развитием нанотехнологий в последние годы расширяется применение сенсоров на основе новых наноматериалов. Благодаря быстрому реагированию, низкому потреблению, низкой стоимости и высокой чувствительности нанодатчики изучались исключительно в области медицины, вооруженных сил, обнаружения газов и мониторинга окружающей среды [1,2,3,4]. Ученые отдают предпочтение датчику резистивного типа, как одному из наиболее часто используемых датчиков, из-за его простой конструкции и рабочего механизма. На ранней стадии графен является привлекательным материалом для обнаружения газов благодаря своим превосходным физическим и химическим характеристикам, таким как большая удельная поверхность, высокая подвижность носителей и благоприятная теплопроводность [5,6,7,8]. Однако графен ограничен в применении для распознавания газов из-за его характеристики с нулевой шириной запрещенной зоны [9, 10], что не позволяет идентифицировать обычные газы, такие как CO, CO ₂ , Канал ₄ , N ₂ , НЕТ ₂ , NH ₃ , H ₂ , и H ₂ O [11]. Впоследствии совместными усилиями ученых в области газового зондирования возникло множество новых наноматериалов с такими же свойствами, как у графена, но без нулевой запрещенной зоны, включая, помимо прочего, дихалькогениды переходных металлов (TMD) [12,13,14 ], карбиды и нитриды металлов [15], слоистые полупроводники III-VI групп [16, 17] и нитриды III-V групп [18,19,20].

Среди недавно появившихся графеноподобных материалов C ₃ N синтезируется прямым пиролизом монокристаллов тригидрохлорида гексааминобензола или полимеризацией 2,3-диаминофеназина [21, 22], который привлек значительное внимание в качестве адсорбента газа [23,24,25]. C ₃ По сути, N является непрямым полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,39 эВ, которую можно регулировать путем изготовления квантовых точек различного диаметра [22]. Внешне C ₃ N можно рассматривать как графеновую суперячейку 2 × 2, замещенную двумя атомами азота, имеющую плоскую сотовую решетку с шестью атомами углерода и двумя атомами азота. В результате добавления N атомов внутренний C ₃ N демонстрирует более высокую химическую активность и более высокую подвижность носителей, но сохраняет аналогичную структурную стабильность по сравнению с графеном, что делает C ₃ Монослой N является конкурентоспособным кандидатом для обнаружения газов [26]. Что касается адсорбционной способности, исследователи доказали, что внутренний C ₃ N обладает превосходной селективностью и чувствительностью [27] при обнаружении NO ₂ и SO ₂ , а для других газов явного адсорбционного эффекта нет. Тем не менее, исследования показывают, что поверхностная реакционная способность C ₃ N может в значительной степени поддерживаться модификацией примесных частиц. Например, Пашангпур и Пейган [28] провели сравнительный эксперимент по адсорбционной способности собственного и легированного C ₃ N нанолист; их результаты показывают, что легирующая добавка Al может вызывать гораздо более сильное связывающее взаимодействие, чем чистый C ₃ Н. Позже Заргам Багери [29] теоретически изучил C ₃ , легированный кремнием. N для адсорбции ацетона, и он обнаруживается при замене атома C на атом Si, энергия адсорбции может увеличиваться с -9,7 до -67,4 ккал / моль, а чувствительность возрастает по мере замещения большего количества атомов C.

Оксид металла является широко используемой альтернативой при модификации поверхности для повышения химической активности при взаимодействии газов. Как один из полупроводников на основе оксидов металлов, ZnO имеет ширину запрещенной зоны около 3,37 эВ с возбуждающей энергией связи около 60 мэВ, химической стабильностью, превосходными фотокаталитическими свойствами и высокой активностью по отношению к некоторым указанным газам [30]. Согласно [31], ZnO может расти в 0-мерных (0D), 1-мерных (1D) и 2-мерных (2D) морфологиях наноструктур, с примерами каждого класса, включая нанокластеры, нанопроволоки / нанотрубки и нанолисты / наноленты соответственно. Учитывая характеристики легко контролируемого размера и морфологии [32, 33], наночастицы ZnO являются многообещающим материалом для работы в качестве легирующей добавки для улучшения чувствительности наноповерхностей [34,35,36]. Недавно несколько ученых предложили теоретические исследования по улучшению поверхностной активности наноматериалов с помощью одномолекулярного легирующего оксида металла. Э. Мохаммади-Манеш и др. [37] исследовали адсорбционную способность графена, декорированного Cu и CuO, на H ₂ S теоретически и обнаружил, что проводимость модифицированного графена значительно изменилась по сравнению с проводимостью собственного графена после адсорбции H ₂ С. Асади и Веззаде [38] разработали лист графена, украшенный B и CuO, для обнаружения H ₂ S и CO на основе теории функционала плотности (DFT). Моделирование в этих работах было выполнено с помощью DFT, и его вычислительные коды периодически расширяют атомную или молекулярную структуру на основе определенной суперъячейки, а затем вычисляют физические свойства всей системы. На основе этого метода адсорбция атома или молекулы на подложке в качестве сенсора используется для исследования наноструктур. Вышеупомянутые отчеты побуждают нас проводить соответствующие и дальнейшие исследования по этой теме, касающейся легирования одной молекулой оксида металла; здесь мы легировали C ₃ N с молекулой ZnO вместо наночастиц ZnO в качестве упрощения для изучения влияния ZnO на обнаружение газа.

SF ₆ это широко используемая среда в распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (GIS) с выдающимися изоляционными и дугогасящими свойствами [39]. Неизбежные внутренние дефекты аварии, такие как частичный разряд (ЧР) в ГИС, разложат SF ₆ к некоторым сульфидам с низким содержанием фтора, таким как SF ₄ , SF ₃ , и SF ₂ [40]. Эти побочные продукты в дальнейшем будут реагировать со следами влаги и кислорода, образуя некоторые стабильные химические вещества, такие как H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ , и SO ₂ F ₂ [41]. Изоляционная надежность этих побочных продуктов намного ниже, чем у SF ₆ . и их существование ускорит эволюцию частичных разрядов, если оставить их в покое. Следовательно, чтобы гарантировать безопасную работу КРУЭ, важно обнаруживать или уносить эти газы. В этой статье мы выбрали ZnO в качестве допанта и построили модель C ₃ , модифицированного ZnO. N (ZnO-C ₃ N) монослой для изучения его адсорбционной способности при типичном SF ₆ разложившиеся виды (H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ , и SO ₂ F ₂ ) теоретически. Путем анализа структурных изменений, поведения электронного переноса, зонной структуры и плотности состояний (DOS), влияние легирующей примеси ZnO на взаимодействие между C ₃ Всесторонне изучены поверхность N и молекулы газа. Цель нашей работы - подробно описать механизм адсорбции и восприятия ZnO-C ₃ Монослой N для потенциального применения для обнаружения или удаления примесных газов в SF ₆ изоляционные устройства.

Подробные сведения о вычислениях

Все расчеты на основе DFT проводились в Dmol ³ пакет [42]. Для лучшего описания неоднородной электронной плотности реалистичной системы мы использовали приближение обобщенного градиента (GGA [43]) в рамках функции Пердью-Берк-Эрнцерхоф (PBE) и дисперсионную поправку TS для работы с электронами. обменно-корреляционные условия [44, 45]. Псевдопоты с полусердцем DFT (DSSP) были индуцированы для обработки ядра, и двойной числовой базис с поляризацией (DNP) был выбран в качестве базисного набора атомных орбиталей [46]. Монкхорст-Пак к -точки ячеек 6 × 6 × 1 были определены как при геометрической оптимизации, так и при расчетах электронной структуры [47]. Допуск сходимости энергии, максимальное усилие и максимальное смещение при геометрической оптимизации были соответственно установлены как 1,0 × 10 ⁻⁵ . Ha, 0,002 Ha / Å и 0,005 Å [48]. Кроме того, монослой и соседнее изображение были разделены вакуумом 15 Å, чтобы избежать взаимодействия между ними.

Как показано на рис. 1, суперячейка 2 × 2 × 1 из C ₃ Монослой N и молекулы газа были созданы и оптимизированы до процесса легирования и адсорбции. Связь C-N (1,422 Å) в оптимизированном монослое немного длиннее, чем связь C-C (1,418 Å), как следствие большего радиуса атома N по сравнению с атомом C. Постоянная решетки, полученная в этой работе, составляет 4,92 Å, что аналогично результатам, опубликованным в [4]. [25, 49]. Мы рассчитали перенос заряда между молекулой и монослоем с помощью анализа Хиршфельда и определили Q _T чтобы представить изменение заряда в молекуле газа. Положительный Q _T указывает на высвобождение электронов молекулы газа. Напротив, это говорит о том, что молекула газа воспринимает электроны.

Оптимизированная структура C ₃ N монослой, H ₂ S, SO ₂ , SOF ₂ , и SO ₂ F ₂

Результаты и обсуждение

Анализ ZnO-модифицированного C ₃ Монослой N

После геометрической оптимизации ZnO был помещен на поверхность C ₃ Монослой N в разных ориентациях и положениях для исследования наиболее разумной конфигурации ZnO-C ₃ N. Согласно рис. 2а, частица ZnO приближается к C ₃ N монослой по вертикали (O ₁ , O ₂ ) и параллельно (O ₃ ) ориентации к плоскости в положении центра гексагональной структуры (P _H1 , P _H2 ), средняя точка связей C-C и C-N (P _B1 , P _B2 ), а прямо над атомом C (P _C ) и атом азота. Мы определили энергию пласта ( E _форма ) для оценки стабильности ZnO-C ₃ N монослоя, рассчитывается следующим образом:

а Приближение положения и ориентации молекулы ZnO. б Самая стабильная конфигурация ZnO-C ₃ N

где E _ZnO и \ ({E} _ {{\ mathrm {C}} _ ​​3 \ mathrm {N}} \) - энергия молекулы ZnO, а C ₃ N монослоя до легирования, и \ ({E} _ {\ mathrm {ZnO} - {\ mathrm {C}} _ ​​3 \ mathrm {N}} \) - это энергия ZnO-C ₃ Структура N. Когда в расширенной атомной структуре происходит «связь» на близком расстоянии между атомами, общая энергия уменьшается, что приводит к отрицательному E _форма [50]; структура с наибольшим E _форма выбран для адсорбции и дальнейшего анализа.

Все конфигурации ZnO-C ₃ N монослоя показаны на фиг. S1, S2, S3. Эти результаты показывают, что большинство структур с большим E _форма находятся в O ₂ ориентации, а частица ZnO предпочитает приближаться к C ₃ Поверхность N O-ориентированным положением и захвачена атомом C. Кроме того, каждый процесс модификации в этом исследовании является спонтанным, поскольку E _форма отрицательно, а максимальное значение E _форма получается помещением частицы ZnO в S _C через O ₂ ориентация. Как видно на рис. 2b, двухатомная молекула присоединена к C ₃ N с наклоном 40 °. Связь Zn-O удлинена от 1,733 Å до 2,182 Å, а связь C-O составляет 1,338 Å. Под действием ZnO поверхность C ₃ N больше не плоский, но происходит определенная степень искажения, и тем временем ближайший к атому O атом C вытягивается с поверхности. Для дальнейшего обсуждения электронного поведения ZnO-C ₃ N, плотность деформационного заряда (DCD) и плотность состояния (DOS) изображены на фиг. 3. На фиг. 3a красная область соответствует увеличению плотности заряда, а ее уменьшение представлено синим цветом. Когда молекула ZnO адсорбируется, она извлекает 0,255 е из C ₃ Вокруг атома O можно различить монослой N и отчетливую красную область. Атом Zn окружен синей областью, что означает разницу в электроотрицательности между атомом O и атомом Zn. Более того, значительное увеличение плотности заряда между атомом O и атомом C предполагает образование связи C-O, которая также может поддерживаться интенсивной гибридизацией между состояниями орбитали O 2p и орбитали C 2p, как показано на рис. 3c. Из кривой DOS на рис. 3b очевидно, что введение ZnO приводит к увеличению системной DOS и появлению нескольких новых пиков. Можно идентифицировать, что новые возникшие небольшие пики вносятся атомом O примерно при -2,5 эВ, а самый большой из них, расположенный при -5,6 эВ, по-видимому, является результатом 3d-орбитали Zn. Изменения в DOS и гибридизация между орбиталями подтвердили тот факт, что частица ZnO прочно адсорбировалась на поверхности C ₃ N и оказал большое влияние на электронную структуру всей системы.

а DCD и b , c DOS и PDOS ZnO-C ₃ N монослой

Адсорбционное поведение ZnO-C ₃ Монослой N

Чтобы полностью сравнить возможные параметры адсорбции и выбрать наиболее желаемую конфигурацию для анализа, мы помещаем каждую молекулу газа над поверхностью ZnO-C ₃ Монослой N в различной ориентации. Например, для трехатомных молекул, а именно H ₂ S и SO ₂ , мы сделали плоскость, состоящую из трех атомов, параллельную или вертикальной поверхности с атомом S вверх или вниз. Энергия адсорбции ( E _{реклама} ) используется для описания изменений энергии различных адсорбционных структур и рассчитывается как

где E _газ и \ ({E} _ {\ mathrm {ZnO} - {\ mathrm {C}} _ ​​3 \ mathrm {N}} \) - энергия изолированной молекулы газа, а ZnO-C ₃ N монослой до адсорбции, \ ({E} _ {\ mathrm {ZnO} - {\ mathrm {C}} _ ​​3 \ mathrm {N} / \ mathrm {gas}} \) представляет собой энергию системы с адсорбированным газом. После получения локального минимума полной энергии для каждой ситуации только структура с максимальным E _{реклама} был выбран для дальнейшего обсуждения, как показано на рис. 4, а разность электронной плотности (EDD) изображена на рис. 5 для лучшего понимания механизма переноса заряда.

Адсорбционная конфигурация a H ₂ Система S, b SO ₂ система, c SOF ₂ система и d SO ₂ F ₂ система

EDD a H ₂ Система S, b SO ₂ система, c SOF ₂ система и d SO ₂ F ₂ система

H ₂ Адсорбционная система S представлена ​​на фиг. 4а, где H ₂ Молекула S адсорбируется в параллельном положении и на ближайшем атомном расстоянии между H ₂ молекула (атом H) и примесь ZnO (атом O) составляет 2,042 Å. Связь H-S захваченного атома H удлинена до 1,374 Å по сравнению с 1,357 Å в изолированном состоянии, в то время как другой H-S остается неизменным во время процесса адсорбции. Небольшая деформация геометрической конфигурации предполагает взаимодействие между H ₂ Молекула S и ZnO-C ₃ Монослой N слабый. В сочетании с E _{реклама} (- 0,444 эВ) и Q _T (- 0,077 е), ясно, что H ₂ Молекула S не может стабильно прикрепляться к ZnO-C ₃ N монослой; мы предполагаем, что ZnO-C ₃ Монослой N не подходит для обнаружения H ₂ S. Для СО ₂ В молекуле, показанной на рис. 4б, оба атома О захвачены атомом Zn на расстоянии 2,020 и 2,031 Å соответственно. Частица ZnO наклоняется ближе к поверхности, и угол, образованный Zn-O-C, уменьшается со 129 до 118 ° из-за присутствия SO ₂ . В то же время из анализа Хиршфельда мы находим, что атом S действует как донатор электронов с потерей 0,164 e, и его адсорбционный эффект на атомы O ослабляется, что приводит к удлинению связей SO с 1,481 до 1,619 Å [ 51]. И наоборот, усиленная межатомная сила из-за увеличения количества электронов (0,292 e) в атоме O ZnO сократила связь Zn-O с 2,182 до 1,869 Å. Помимо геометрических вариаций и переноса электронов, E _{реклама} до - 1,222 эВ - еще одно свидетельство сильного взаимодействия в процессе адсорбции, указывающее на возможное применение ZnO-C ₃ N монослой при обнаружении SO ₂ . Что касается SOF ₂ и SO ₂ F ₂ Для адсорбционной системы, представленной на фиг. 4c и d, можно видеть, что целевые молекулы претерпели резкое изменение морфологии. Атом F в SOF ₂ избавляется от скованности связи S-F и адсорбируется атомом Zn на расстоянии 1,830 Å. Еще более радикальные изменения можно наблюдать в SO ₂ F ₂ где обе связи S-F разорвались и образовали связи Zn-F длиной 1,802 и 1,883 Å. Помимо образования связи Zn-F, оставшаяся группа SOF в SOF ₂ Система также захватывается атомом Zn через связь Zn-O. Но в случае SO ₂ F ₂ системе, интересно отметить, что SO ₂ группа, порожденная разложением SO ₂ F ₂ не захватывается, но сохраняет расстояние от атома Zn, а его связи S-O рассчитываются так же, как изолированные SO ₂ в длину. Выраженная деформация молекул газа связана с большим E _{реклама} рассчитано как - 1,683 эВ в SOF ₂ система и - 3,497 эВ в SO ₂ F ₂ система. Исходя из этого, адсорбция SOF ₂ и SO ₂ F ₂ на ZnO-C ₃ N можно определить как сильную хемосорбцию, сопровождающуюся переносом большого количества заряда в этом процессе, что указывает на возможное существование значительной электронно-орбитальной гибридизации. С большим E _{реклама} и Q _T , ZnO-C ₃ Монослой N может обеспечить более стабильную адсорбцию SO ₂ , SOF ₂ , и SO ₂ F ₂ чем другие наноматериалы, как указано в Таблице 1, адсорбционная конфигурация ZnO-C ₃ Монослой N больше, чем перечисленные наноматериалы на 0,358–3,281 эВ и 0,038–0,811 эВ, обеспечивая адсорбционные характеристики этого материала при использовании для обнаружения газа, в то время как мы предполагаем, что это трудно для этих молекул газа (SO ₂ , SOF ₂ и SO ₂ F ₂ ), чтобы избавиться от сильного взаимодействия как следствие большого размера E _ads . Следовательно, чтобы предотвратить снижение производительности, вызванное отравлением сенсора, следует принять такие меры, как высокотемпературный отжиг или ультрафиолетовое излучение, чтобы улучшить характеристики десорбции ZnO-C ₃ N монослой. Конкретный анализ характеристик десорбции будет представлен в разделе «Оценка эффективности газового зондирования».

Что касается EDD, показанного на рис. 5, синяя часть указывает на область накопления электронов, а другая часть, выделенная фиолетовым, - это область обеднения электронами. Для H ₂ В системе S небольшая область накопления может быть найдена между атомом H и атомом O, в то время как большая часть областей накопления и истощения расположена вокруг H ₂ Молекула S, предполагающая перенос небольшого заряда и перераспределение молекулярных орбиталей в H ₂ Молекула S. В SO ₂ В адсорбционной системе есть очевидные области истощения, которые окружают атом S и атом Zn, тогда как области накопления в основном распределены вокруг атомов O и выше атома S. Это явление подтверждает роль SO ₂ в качестве приемника электронов. молекула, в соответствии с Q _T (- 0,426 е) получено из анализа Хиршфельда. В SOF ₂ и SO ₂ F ₂ Системы, судя по крупному масштабу областей накопления и истощения, в обеих системах наблюдаются замечательные перенос заряда и гибридизация электронов. Области накопления распределены между атомами целевого газа, в то время как области обеднения в основном локализованы вокруг атома Zn, что отражает отчетливую электронодонорную способность атома Zn. В результате такое электронное поведение предполагает, что ZnO-C ₃ Монослой N имеет сильную адсорбцию на молекулах газа более убедительно.

Электронные свойства ZnO-C ₃ Монослой N при адсорбции газа

Как сообщается в графене- [56], SWCNT- [57] и MoSe ₂ - [58] основанные на исследованиях газового зондирования, DOS является еще одним важным параметром в исследовании электронного поведения между газами и наноструктурами. На рис. 6а видно, что перераспределение молекулярных орбиталей в H ₂ S соответствует заключению, полученному из EDD на рис. 5a. Гибридизация между H 1s и O 2p-орбиталями доступна около -4 и -6 эВ, но в низкой степени, демонстрируя слабое взаимодействие и крошечную возможность образования новой связи H-O. Что касается SO ₂ В системе на рис. 6в антисвязывающая орбиталь немного перемещается вблизи уровня Ферми, и часть орбиталей трансформируется из разделения в соединение, демонстрируя очевидное перераспределение электронной структуры в SO ₂ молекула. Для взаимодействия между атомами на рис. 6d обнаружено, что орбитали O 2p, Zn 4s и Zn 3d гибридизованы на нескольких энергетических уровнях, таких как -6, -4 и -2 эВ. Гибридизация означает сильное химическое взаимодействие между атомом O и атомом Zn и эффективно поддерживает образование связи Zn-O, как рассчитано в оптимизированной структуре. В SO ₂ F и SO ₂ F ₂ В системе из-за резкой деформации структуры молекулярные орбитали сильно активируются и перераспределяются с множеством вновь образованных орбиталей. Орбитали F 2p и O 2p в SOF ₂ интенсивно гибридизуются с Zn 4s- и 3d-орбиталями при –8, –7 и +3 эВ. Гибридизацию между атомами F и атомами Zn можно идентифицировать около -7, -5 и +3,5 эВ. Очевидная гибридизация между атомом Zn и захваченными атомами F, O свидетельствует об образовании устойчивых химических связей, а именно связей Zn-F и Zn-O, что может быть объяснением сильного адсорбционного эффекта между ZnO-C ₃ N монослой и два газа. В сочетании с результатами, полученными для четырех адсорбционных систем, за исключением H ₂ Молекула S, остальные три молекулы (SO ₂ , SO ₂ F и SO ₂ F ₂ ) может прочно адсорбироваться при воздействии ZnO-C ₃ N монослой. Этот вывод доказывает, что данное вещество может использоваться для удаления газов в высоковольтном оборудовании.

DOS и PDOS молекулы газа, адсорбированной на ZnO-C ₃ N монослой. а , b H ₂ Система S. c , d SO ₂ система. е , f SOF ₂ система. г , ч SO ₂ F ₂ система

Оценка эффективности газовых датчиков

Для обнаружения газа необходимо умеренное изменение проводимости для постадсорбционных устройств резистивного типа. Проводимость определенной системы связана с ее шириной запрещенной зоны согласно следующему уравнению [59]:

где A некоторая константа, k _B постоянная Больцмана (8.62 × 10 ⁻⁵ эВ K ⁻¹ ) и T - температура. Между проводимостью и шириной запрещенной зоны можно определить обратно пропорциональную зависимость:чем шире запрещенная зона, тем труднее электрону пересечь запрещенную зону. Рисунок 7a демонстрирует, что запрещенная зона в ZnO-C ₃ Монослой N довольно мал - 0,168 эВ, что составляет менее половины ширины запрещенной зоны в чистом C ₃ . N (0,39 эВ), в то время как свойства полупроводника и непрямой запрещенной зоны остаются прежними, о чем можно судить по разному расположению дна зоны проводимости (M) и верха валентной зоны (Γ). Что касается ширины запрещенной зоны адсорбционных систем, различные вариации можно найти на рис. 7b – d. В H ₂ В системе S ширина запрещенной зоны уменьшается до 0,125 эВ из-за нисходящего движения дна зоны проводимости. В других системах новый примесный уровень, который появляется наверху валентной зоны, встречается с уровнем Ферми вблизи точки M и приводит к нулевой запрещенной зоне этих систем, что можно рассматривать как сильное легирование p-типа для ZnO-C ₃ N монослой [43, 60]. Хотя полупроводниковая природа адсорбированных структур может быть покрыта их металлическим свойством нулевой запрещенной зоны [61], нулевая запрещенная зона может обеспечить видимое увеличение проводимости. Очень важно улучшить характеристики отклика устройств на базе ZnO-C ₃ N монослой. Чтобы усилить дальнейший анализ ответа ( R ) производительность, здесь мы рассчитываем ее на основе следующего уравнения [62]:

Ленточная структура a ZnO-C ₃ N монослой, b H ₂ Система S, c SO ₂ система, d SOF ₂ система и e SO ₂ F ₂ система

где σ _чистый и σ _газ представляют собой проводимость ZnO-C ₃ Система N до и после адсорбции соответственно. Согласно расчетам, R для H ₂ Система S и остальные три системы составляют 0,567 и 0,962, а именно, проводимость увеличится на 56,7% и 96,2%, когда адсорбция происходит на поверхности ZnO-C ₃ N монослой; в этом случае можно обнаружить наличие этих газов.

Время восстановления ( τ ) - еще один важный параметр для оценки свойств датчиков, используемых при обнаружении газа, который указывает время, затраченное на удаление молекул адсорбированного газа. Изучив литературу, τ можно рассчитать по уравнению Ван'т-Гоффа-Аррениуса [63]:

где F - частота попыток и определяется как 10 ¹² s ⁻¹ в этом исследовании. E _а - энергетический барьер для десорбции, принимаемый равным значению E _{реклама} здесь, k _B и T определены так же, как в формуле. (3). Из уравнения. (5), десорбция адсорбированных газов будет сложнее, чем E _{реклама} становится больше, но это также можно контролировать, повышая рабочую температуру.

В таблице 2 указано время восстановления, необходимое для удаления четырех газов с поверхности ZnO-C ₃ . N монослой. Для H ₂ Молекула S, маленькая E _{реклама} несомненно, отражает низкий энергетический барьер для десорбции, соответственно, вызывая очень короткое время восстановления в микросекундах. В то же время для систем с большим E _{реклама} , it seems impossible to separate the gas molecule from the surface at the working temperature as the desorption will takes several days. When it reaches 498 K and 598 K which can rarely occur in the electrical equipment, the desorption process could be accelerated to the minutes scale for SO₂ and SOF₂ , соответственно. The extremely strong adsorption between the gas molecules (SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ ) and the surface reveals the potential application of the ZnO-C₃ N monolayer as a gas scavenger to remove the SF₆ decomposition species and maintain the good insulation state inside the power system. In addition, in the actual structure, given the high quantity of ZnO nanocrystals on C₃ N, the effect is expected to be substantially enhanced. Besides, comparing to the original configuration, the activity of the gases releasing from the ZnO-C₃ N monolayer is greatly impaired and can hardly exert impact on the system because of the severe deformation of the molecular structures (SOF₂ and SO₂ F₂ ). In terms of the H₂ S, it is supposed that the unstable interaction and extremely short recovery time of ZnO-C₃ N monolayer towards H₂ S are unable to provide an effective detection as the adsorption density is supposed to be small.

Выводы

In this paper, a model of ZnO-modified C₃ N is established and the optimal structure is investigated by placing the ZnO particle on the surface of C₃ N in various orientations and position. Thus, the adsorption parameters of the ZnO-C₃ N monolayer on four SF₆ decomposition species, namely H₂ S, SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ , were obtained by analysing the E _ads , DOS, Q _T , and band structure before and after adsorption. It is found that the H₂ S molecule can hardly adsorb stably on the nanostructure; at the same time, the other gases are strongly trapped in the ZnO particle. These results confirmed that the adsorption performance of ZnO-C₃ N monolayer allows its potential application as gas scavenger to sweep SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ from the high-voltage equipment, which keeps the insulation strength and the safe operation of power system. Plus, the frontier molecular orbital theory implies that ZnO-C₃ N monolayer possesses the possibility to estimate the dielectric state of SF₆ insulation equipment as an indicator, given the obvious changes in conductivity caused by the adsorption of the abovementioned gases.

Доступность данных и материалов

All the data and material are provided in the manuscript and supplementary file.