非金属掺杂ZnO单层膜对变压器油中溶解气体(C2H2/CH4/CO/H2)吸附性能的理论研究及传感应用

本文基于第一性原理（DFT），系统研究了B/N/P掺杂ZnO单层膜对变压器油分解气体（C2H2、CH4、CO、H2）的吸附机制。研究发现P-ZnO对C2H2具有最优吸附性能（Eads=-1.43eV），其短吸附距离（2.01?）和室温可逆响应特性，为开发高性能变压器故障气体传感器提供了理论依据。

　　

Highlight
本研究通过密度泛函理论（DFT）揭示了非金属掺杂ZnO单层膜的"气体捕获超能力"——B/N/P原子像微型磁铁般显著提升对故障气体（尤其是C₂H₂）的吸附性能，其中P-ZnO对乙炔分子的吸附能飙升至-1.43eV，堪称"气体捕手冠军"。

Calculation method
采用Materials Studio的Dmol³模块，在广义梯度近似（GGA-PBE）框架下进行模拟，引入DFT-D2修正的范德华力作用。设置5×5×1超胞和15?真空层，确保计算结果精确可靠，就像为分子世界搭建了高清显微镜。

Adsorption properties
本研究发现：

1. 本征ZnO对气体"爱答不理"（吸附能仅-0.11至-0.32eV），而掺杂后材料变身"气体捕手"（吸附能提升3-10倍）
2. P-ZnO与C₂H₂形成最强"分子握手"（键距2.01?），电荷转移量达0.106e，堪比分子级"能量交换协议"
3. 能带结构分析揭示掺杂后费米能级"集体跳水"，证明气体吸附引发显著电子重组

Conclusion
这项研究为开发"智能嗅觉"变压器油气体传感器指明方向：P-ZnO材料就像分子级别的"乙炔警报器"，其优异的吸附选择性和室温可逆性（恢复时间τ=0.12s@298K），为电力设备故障预警系统提供了理想传感材料。