基于第一性原理的研究：Ni/Cu掺杂的Janus ZrSSe单层薄膜在工业污染物气体选择性检测及高亲和力传感中的应用

《Computational and Theoretical Chemistry》：First-principles study of Ni/Cu doped Janus ZrSSe monolayers for selective and high-affinity sensing of industrial pollutant gases

本研究通过密度泛函理论计算，系统考察了Ni和Cu掺杂的Janus ZrSSe单层对NO?、SO?、CO?和CO的吸附行为，发现Ni掺杂对NO?吸附能量最大（?4.28 eV），灵敏度高达119.09，凸显其作为NO?气体传感材料的潜力。

　　

Zinah H. Obaid|Lafy F. Al-Badry

伊拉克纳西里耶蒂卡尔大学科学学院物理系，邮编64001

摘要

在本研究中，NO₂、SO₂、CO₂和CO等有毒气体是空气污染的主要来源，因此对其检测对于环境监测和公共安全至关重要。本文利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，系统研究了NO₂、SO₂、CO₂和CO分子在掺镍（Ni）和掺铜（Cu）的Janus ZrSSe单层材料上的吸附行为。结果表明，NO₂与这两种掺杂表面的相互作用最强，其中Ni掺杂的ZrSSe表现出最大的吸附能（?4.28?eV），其次是Cu掺杂的ZrSSe（?3.71?eV）。吸附前后能带隙的显著变化使得Ni-ZrSSe系统对NO₂气体具有极高的敏感性，其灵敏度高达119.09。这些结果凸显了Ni-ZrSSe作为NO₂气体传感器材料的巨大潜力，尤其是由于其优异的吸附性能。

引言

由于工业化进程的加快，有毒气体在环境中的浓度日益增加，对人类健康构成了严重威胁[1]。例如，NO₂主要来源于煤炭燃烧、工业生产排放和车辆尾气[2]。这些气体不仅严重污染环境，还会引发呼吸系统疾病、哮喘、基因突变等多种健康问题[3]。二氧化硫（SO₂）是一种具有重要工业应用价值的有毒气体，可用作硫酸生产的溶剂和制冷剂候选物质[4]。一氧化碳（CO）是环境中常见的有毒气体，产生于各种燃料的燃烧过程以及发动机运行中[5]。工业生产过程中二氧化碳（CO₂的排放量持续上升，其主要来源是燃煤电厂和水泥厂排放的烟气（CO₂/N₂混合物）[6]。因此，开发能够检测这些有害气体的传感器材料及其吸附剂对于环境保护、工业发展、食品监测和人类健康具有重要意义[7]。由于气体传感器可用于监测和检测有毒气体，它们在日常环境监测和预防安全隐患方面发挥着关键作用，因此这一领域吸引了大量研究关注[8,9]。

基于二维材料的气体传感技术是一个重要的研究方向。自二十年前石墨烯被发现以来，研究人员持续探索二维材料[10]。与其他材料相比，二维材料通常具有更大的电化学比表面积、独特的电荷传输特性以及更多的反应位点[11]。基于这些特性，二维材料在纳米电子学[12]、自旋电子学[13]、光电子学[14]、气体传感[15]、DNA测序[16]和医药领域[17,18]等技术领域具有广泛的应用前景。一些研究通过构建复合结构来提升传感性能，并利用密度泛函理论（DFT）在原子尺度上研究表面吸附和反应过程[19]。近年来，研究人员对一种新型的二维材料“Janus TMDCs”表现出浓厚兴趣。2017年，化学气相法成功制备出了Janus单层TMDCs（MoSSe）[20]。此外，Janus ZrSSe单层的能带隙约为1.341?eV，使其能够吸收可见光和紫外线[21]。

文献中，Zheng等人报道了掺铂（Pt）的Janus SnSS单层材料作为有潜力的传感材料，该材料在检测过程中表现出可调的电荷转移特性和能带隙变化，显示出良好的传感性能[22]。Zenget等人使用改性Au的Ti₃C₂T_x材料吸附SF₆/N₂混合气体，并证实其对NO和NO₂具有良好的传感能力[23]。Jiang等人研究了掺Pt、Pd、Ag的ZrSSe材料对SF₆分解产物的吸附行为，发现金属原子主要沉积在ZrSSe的硫（S）表面，且原始ZrSSe的气体吸附过程属于物理吸附[24]。Li等人发现，在含有硫（S）或硒（Se）空位的MoSSe结构中，当过渡金属原子位于硫原位时，其催化性能得到显著提升[25]。在气体检测领域，仅有Jie等人研究了用于检测变压器油中故障气体的金属链修饰MoSTe材料[26]。Cui等人研究了不同金属原子掺杂对MoSSe单层材料电学和磁学性质的影响，发现大多数过渡金属（TM）原子掺杂后CO和NO的吸附能力明显增强[27]。

本研究采用第一性原理计算方法，评估了Ni掺杂和Cu掺杂的Janus ZrSSe单层材料对四种工业有害气体（NO₂、SO₂、CO₂和CO）的吸附性能，以筛选出适合用作气体传感器或吸附剂的候选材料。

计算细节与方法

本文中的所有理论计算均使用Materials Studio（MS）软件包（版本2023）中的DMol³模块完成，该软件在密度泛函理论（DFT）研究中具有较高的可靠性和适用性，提供了结构优化、电子性质分析和吸附能评估的强大工具[19]。相关性和交换相互作用通过综合方法得到准确处理。

Janus ZrSSe单层材料上的Ni和Cu掺杂行为

图1(a)展示了ZrSSe单层的稳定结构（俯视图和侧视图）。由于ZrSSe本身的独特结构，在研究原子掺杂或气体吸附时需要分别选择Se和S两种表面进行功能化处理。为了将镍（Ni）和铜（Cu）原子掺入ZrSSe表面，选择了图1(b)所示的三个位置T_B、T_S、T_Zr和T_{Se》。形成能（Ef）通过公式（1）计算得出。}

结论

本研究探讨了Ni/Cu掺杂的Janus ZrSSe单层材料对NO₂、SO₂、CO₂和CO等气体的检测性能。从吸附机理、电荷差密度、态密度、灵敏度和功函数等方面对Ni-ZrSSe和Cu-ZrSSe的吸附行为进行了全面分析，主要结论如下：

i.

当NO₂气体被吸附时，P型金属Ni在T_Zr位点的稳定性最高，其吸附能为

作者贡献声明

Zinah H. Obaid：负责撰写初稿、软件开发、方法设计、实验实施及数据分析。Lafy F. Al-Badry：负责审稿与编辑工作、项目监督及行政管理。

资金支持

本研究未获得任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。