TiO2修饰MoSe2对油色谱特征气体（H2、CO、C2H2、C2H4）的吸附机制与电子行为研究：面向能源电力设备的安全监测

（编辑推荐）本研究通过过渡金属氧化物（TiO2/2TiO2）修饰MoSe2单层，显著提升其对变压器油色谱特征气体（H2、CO、C2H2、C2H4）的化学吸附能力与电导率。结合密度泛函理论（DFT）分析，发现TiO2-MoSe2对CO、2TiO2-MoSe2对C2H2具有最强吸附选择性，且材料在高温下（298~498 K）展现优异热稳定性，为能源设备气体传感提供新策略。

　　

Highlight

本研究创新性地采用过渡金属氧化物（TiO₂和2TiO₂）修饰MoSe₂单层，显著增强材料导电性和选择性气体吸附能力：TiO₂-MoSe₂对CO表现出最强化学吸附，而2TiO₂-MoSe₂对C₂H₂吸附能力突出。两种材料在宽温域（298~498 K）内均展现卓越热稳定性，为油浸式变压器等能源电力设备提供了高性能气体传感与吸附材料解决方案。

Computational details

所有模型优化与计算均通过Dmol³软件完成，采用广义梯度近似（GGA）下的PBE泛函处理电子交换关联效应。使用DFT半核赝势DSPD描述价层与芯层电子，分子轨道计算采用双数值加极化基组（DNP）。为消除周期性边界条件影响，设置15 ?真空层，并引入Grimme方法校正范德华力。

The spatial structure and electronic state distribution

未掺杂时，二维原始MoSe₂单层中Mo-Se键长为2.515 ?和2.513 ?（图1a₁-a₂）。过渡金属氧化物表面掺杂后，TiO₂和2TiO₂与MoSe₂形成稳定化学键（结合能E_b分别为-2.046 eV和-2.127 eV），显著改变态密度（DOS）分布并缩小HOMO-LUMO能隙，从而提升气体敏感性与导电性。

Conclusions

关键发现包括：

1. 1.

   TiO₂和2TiO₂与MoSe₂的Se形成化学键，通过调控DOS分布增强气体敏感响应；

2. 2.

   掺杂体系对特征气体均表现为化学吸附，其中TiO₂-MoSe₂对CO、2TiO₂-MoSe₂对C₂H₂吸附最强；

3. 3.

   C₂H₂/2TiO₂-MoSe₂体系在高温下（τ>10⁵ s）展现超长恢复时间，表明其作为高温稳定吸附剂的潜力。