文摘

科幻小说₆/ N₂气体混合物分解组件可以反映GIS内部操作状态,并用于GIS内部故障诊断和监测。NF₃和N₂O是科幻小说的特征分解组件₆/ N₂混合气体。为了找到一个潜在的气体敏感材料NF的检测₃和N₂o .本文调查NF的吸附性能₃和N₂在Al - O和Ga -掺杂石墨烯层基于密度泛函理论。通过分析吸附距离、电荷转移、吸附能量,能带结构,等,结果表明,Al -的吸附效果和NF Ga-doped石墨烯₃和N₂O可能是好的,这些纳米材料潜在的应用GIS内部监控的缺点。

1。介绍

科幻小说₆已经广泛采用高压气体绝缘设备由于其出色的灭弧和绝缘能力。然而,它有很强的温室效应(1- - - - - -3]。同时,添加N₂可以大大减少使用科幻小说吗₆气体没有显著影响绝缘性能,这是非常重要的在实现节能减排4- - - - - -7]。然而,科幻小说₆/ N₂混合气体在局部放电(PD)或部分过热条件下会产生气体如NF₃,所以₂、有限公司₂和N₂O (8]。这是一个可行的技术理解科幻的故障诊断方法₆/ N₂混合气体绝缘设备通过监控这个组件分解特征信息。

为研究热点的气体传感材料在传感器领域,石墨烯已经成为不可替代的材料以其超高的电子迁移率和比表面积(SSA),连同极好的力学特性(9- - - - - -12]。与其他传感材料相比,下列文件是可用的。根据他et al。C₂H₂分析了气体对其传感特性和电子特性不同的氮化硼nanotubes-modified过渡金属氧化物(铁₂O₃,TiO₂和NiO)纳米粒子(13]。这是发现C的电导率₂H₂气体在三个过渡金属氧化物和修改后的氮化硼纳米管是不同的,尤其是在铁₂O₃和TiO₂。在他的研究单壁碳纳米管掺杂的气体传感特性与金原子₂和H₂陈等人发现,所以₂和H₂年代有良好的吸附性能对黄金掺杂单壁碳纳米管(14]。Syaahiran等人实现了DFT方法分析公司,H₂年代,和H₂(我们的气体传感性能₃)( )掺杂铬(15]。结果表明,与纯的集群相比(我们₃)( ),的能源缺口chromium-doped氧化钨集群减少( )( ),反应性增加和稳定提高。Syaahiran等人研究了CO气体的相互作用在doped-tungsten铬氧化物/石墨烯复合材料(16]。从能源缺口,表面活性,结合能,发现chromium-doped钨氧化物/石墨烯复合对公司有很强的吸附作用。

许多学者研究了原子掺杂石墨烯的气体传感器,如锰、Pd, Pt,更好地研究石墨烯材料和气体分子之间的相互作用,探索气体的气敏特性到掺杂和内在的石墨烯表面。Gui等人通过DFT计算,研究了典型的油溶性气体吸附性能(C₂H₂,CH₄和公司)在变压器掺杂锰原子在石墨烯桥网站(17]。气体传感机理进行了分析通过使用态密度(DOS)和分子轨道理论。因此,manganese-doped石墨烯是潜在的气敏物质的检测有限公司和C₂H₂。根据文献,气体吸附更明显是由于过渡金属掺杂的18]。证实,掺杂石墨烯显示更好的气体传感性能比本征石墨烯和金属掺杂显著提高石墨烯化学活性和吸附性能。

根据上述,本文研究了气体灵敏度Al-doped草和NF Ga-doped草₃和N₂基于DFT O气体分子。这项工作将引导气体传感器的制造和提供基本的气体敏感信息,以及aluminum-doped石墨烯或gallium-doped石墨烯作为GIS的潜在候选人抵抗化学传感器内部故障诊断。

2。计算的细节

目前的工作由Dmol第一原则进行计算³量子化学模块从材料工作室19- - - - - -21]。Perdew伯克ernzerho (PBE)函数的广义梯度近似(GGA)是用于管理的电子交换关系(22]。此外,数值+双极化(DNP)被选中的原子轨道基础组。最大的原子位移、能量收敛精度,轨道跟踪,设置为5×10和最大力量³1.0×10⁵哈,0.005公顷和0.05 eV / (23,24]。确保精密计算的总能量,这项工作建立全球轨道截止半径和自洽场误差在4.5和1.0 x10⁶哈,分别分析,一个2×2×1布里渊 - - - - - -点网格空间设置(25,26]。色散力控制采用DFT-D (Grimme)方法,和电荷转移金额( )在吸附过程中确定了基于Hirshfield的方法(16,27]。总电荷数 ,代表了电子的转移从气体分子掺杂石墨烯表面,和负值代表相反的电子转移路径。此外,吸附能的定义( )所示(28]:

, , 代表能量的气体吸附在金属掺杂石墨烯,Al-doped石墨烯和Ga-doped石墨烯表面的能量,分别和能源的天然气。一般来说,> 0意味着吸附过程不会自动发生< 0意味着吸附过程是自动的(29日]。

3所示。结果与讨论

3.1。优化Al-Doped石墨烯、Ga-Graphene NF₃和N₂O

首先,铝和镓的吸附特征讨论了原子在石墨烯表面通过地层能量( )。铝、镓原子移动在石墨烯表面定义在[30.]:

,能量掺杂后石墨烯成铝、镓;和的初始能量铝、镓和石墨烯基板。我们考虑的掺杂配置顶部,桥,心,和更换网站。通过比较不同的掺杂结构的形成能量在桌子上1,我们发现更换网站的配置是最稳定的。

图1提出了最优几何aluminum-doped石墨烯,gallium-doped NF,石墨烯₃和N₂O,键角和键长被表示为和 ,分别。根据图1(一),aluminum-doped石墨烯表面由(4×4×1)vortex 20 ( )真空层减少相邻簇的相互作用和防止飞机之间的相互作用产生的周期性边界条件(31日]。的最优顶视图aluminum-doped石墨烯表现出图1 (b)。半岛之间的键长和周围的三个碳原子是1.746,这是增加了0.321与碳碳掺杂前相比,由于铝比碳原子轨道半径更大。的∠C1-Al-C2 120°,掺杂前保持不变。的最优俯视图如图gallium-doped石墨烯1 (c)。最佳N₂O和NF₃气体分子结构如图1 (d)和1 (e)。

图2展示了石墨烯的TDOS, Al - Ga-doped石墨烯。的结构属性通过TDOS doped-graphene进一步分析。对比无掺杂石墨烯,众所周知,TDOS电荷分布的增加显著的费米能级附近的掺杂铝、镓相对于内在的石墨烯后,表明铝、镓掺杂电导率提高石墨烯结构。

本征石墨烯的能带结构如图3(一个)。从图可以看出,价带和导带几乎切的费米能级,带隙是0.005电动汽车,电动汽车接近0。然而,在掺杂铝原子,如图3 (b),价带和相交 。掺杂后石墨烯的带隙明显增加,这是0.227 eV。同时,引入了一个新的能级附近 ,表明石墨烯的电子和物理性质变化显著的掺杂铝原子如图3 (c)。掺镓原子有相似的属性。aluminum-doped石墨烯的影响和gallium-doped石墨烯气体吸附特性需要进一步研究。

3.2。NF的吸附性能₃在Aluminum-Doped石墨烯

不同的原始方法对NF网站₃掺铝网站上计算获得最高的吸附结构稳定,进一步分析aluminum-doped石墨烯对目标气体的吸附特征。特有的吸附结构得到优化。图4显示了它的俯视图和侧视图。表2显示电荷转移和吸附能量和结构参数。

从吸附结构(数据观测到的4(一)和4 (b))。A1-F1形成的键长是1.689,和电子的数量从aluminum-doped石墨烯表面转移到NF₃达到0.291 e。显著地,NF₃结构改变了吸附后,其中,F1-N债券长度增加到3.072,F1-N-F2变成了75.591°的角度。的NF的₃到aluminum-doped石墨烯表面达到-1.476 eV。从电子转移的角度 ,NF的反应₃天然气是最强,当F原子接近aluminum-doped石墨烯表面。

图5(一个)显示了TDOS NF₃在aluminum-doped石墨烯表面。TDOS显示显著变化在-14 eV, -9.2 eV, -7.3 eV, -5.4 eV, -3.4 eV,其他职位相比,nonadsorbed气体。由于原子的外层电子的贡献最在吸附过程中,只是为Al-3p pdo, F-2p, N-2p进行了探讨。pdo的人物5 (b),我们可以看到,上面的轨道,他们的重叠峰大约可以看出,-9.3 eV, -7.3 eV, -3.9 eV,费米能级和5.2 eV。pdo和TDOS分析隐,NF之间有很好的互动₃和aluminum-doped石墨烯。

图6显示NF的电子密度的差异₃从不同的侧面吸附到aluminum-doped石墨烯表面,红色和蓝色区域表示升高和电子密度下降,分别。后汽油吸附电荷分布直观地分析了基于电子密度的差异。从图6,它表明F原子周围的红色区域显示收到电子,而N原子周围的蓝色区域,铝原子,和C原子表明电子失去了由于电子密度减少。气体分子建议玩电子受体的作用,而Al-Graphene电子给体。因此,NF₃分子带来翻天覆地的变化在电子密度aluminum-doped石墨烯的表面。

总的来说,基于DOS的结构参数、吸附能量,和电荷转移,与NF的差异₃电子密度aluminum-doped石墨烯吸附,很明显,NF之间的互动₃和aluminum-doped石墨烯非常严重。

aluminum-doped石墨烯的能带结构没有吸附气体表现出图7(一)。图7 (b)展览NF的能带结构₃在aluminum-doped石墨烯表面分子吸附。从上面,众所周知,aluminum-doped石墨烯的能带结构有一个明显的带隙附近 ,和一个新的能级的介绍 。此外,添加了很多新的能级在价带。它可以确定新的能级的生成是由于表面吸附的气体。

3.3。N的吸附特性₂O在Aluminum-Doped石墨烯

气体分子方法aluminum-doped石墨烯表面具有不同的吸附原子N₂o . 3特性吸附结构获得几何优化后,根据图8,上面的参数配置表展出3。数据8(一个)和8 (b)展品为M1配置顶部和侧面。N₂O是接近N1的表面掺杂原子,和是2.035。N1-N2债券的长度N₂O表面吸附达到1.142,1.180 N2-O债券长度。不改变键角,这不是不同于自由N₂O分子。因此,N₂O结构显示低改变吸附。在M1配置中,吸附能量-1.376 eV,转让0.238 e到aluminum-doped石墨烯表面的气体分子,表明N之间的强相互作用₂O和aluminum-doped石墨烯表面。

数据8 (c)和8 (d)展品和俯视图为M2配置。N₂O是接近N2的表面掺杂原子,和是2.080。基于结构参数表3N₂O结构低吸附前后的变化。M2配置吸附能量-1.407电动汽车,这表明比M1, M2配置更稳定。此外,0.212 e的转移到铝掺杂石墨烯表面检测到气体分子在M2配置,费用从N1、N2,和O原子被0.247 e, -0.004 e, e和0.031,分别。

侧面和顶部M3配置显示在人物的看法8 (e)和8 (f)。N₂接近的掺杂表面O原子,和是2.157。N1-N2债券的长度N₂O吸附到aluminum-doped石墨烯表面达到1.214,这是略长于N1-N2债券(1.141)的免费N₂O分子。M3的电荷转移配置0.204 e,这显著增加相对于M1 / M2配置。然而,根据参数表中观察到3、键角和键长变化后吸附,吸附能量为-1.240 eV,略下降相比,M2配置。总之,这是基于大N之间的吸附能₂O和M2配置,因此,M2系统可能表现出最高的稳定性。为了更好的验证,这个工作还分析了电子密度的差异和DOS。

TDOS M2配置呈现在图9(一个)。当N₂O分子吸附到aluminum-doped石墨烯表面,有明显的变化约-12.07 eV, -11.01 eV, -5.71 eV和0.89 eV。由于原子的外层电子的贡献最吸附,这对Al-3p只能分析pdo, N-2p, O-2p。从pdo观察图9 (b)一起,N-2p O-2p轨道峰值一致约-12.15 eV, -10.97 eV, -10.25 eV, -5.62 eV和0.86 eV。根据pdo, N的有力化学吸收作用₂O aluminum-doped石墨烯被发现。同时,考虑到N-2p轨道最有助于吸附过程的N次方₂O吸附在M2配置结构显示了极高的稳定性。

M2配置的电子密度的差异是在图展出10。红色和蓝色区域代表并拒绝电子密度升高,分别。O和N1接受电荷在吸附过程中,原子电荷接近N2下降。还有一个aluminum-doped石墨烯表面电子密度的增加。根据电子密度分布,N₂O得到电子。

aluminum-doped石墨烯的能带结构没有吸附气体表现出图(11日)。图11 (b)显示了N的能带结构₂O aluminum-doped石墨烯表面分子吸附。可以看出,在吸附N₂O,铝掺杂石墨烯的能量差距减少,费米能级附近的传导带变得更加光滑,并介绍了新能源的水平。因此,附近的态密度大大增加。

3.4。预测Aluminum-Doped石墨烯的解吸

科幻的分解组件₆/ N₂混合气体可以被而眠感应加热条件下材料表面。的和NF的距离₃和N₂O aluminum-doped石墨烯表面展示在表上2和3,375 K, 575 K, 757 K的温度梯度的解吸时间传感材料。解吸时间与吸附能和温度,所示(32,33]:

在这,是审判系统的频率,通常10¹²年代¹(34),NF的吸附能量吗₃和N₂O aluminum-doped石墨烯表面, :一个常数,eV / K,是温度(单位:K)。

NF的解吸时间₃和N₂O气体分子在375 K, 575 K, 775 K图所示12。NF的最佳解吸时间₃分子在775 K ,和整个系统的解吸时间随温度的降低,最大恢复时间 。的解吸时间N₂O分子系统中比NF的短₃分子。在375 K和775 K,恢复时间 和 ,分别。

3.5。NF的吸附₃和N₂O Gallium-Doped石墨烯气体

由于Ga原子的外层电子的数量是一样的铝原子,Ga原子的掺杂也被认为是。其吸附模式是一样的铝掺杂石墨烯,所以只考虑NF₃分子接近Ga-doped石墨烯F原子,和N₂O分子接近Ga-doped石墨烯N原子。如数据所示(13日)和13 (b),NF₃分子吸附在Ga-doped石墨烯表面,1.801,0.287 e电子转换。如数据所示13 (c)和13 (d)N₂O Ga-doped石墨烯表面吸附,2.285,0.227 e电子转换。从表可以看出4这两种气体的吸附能量小于Al-doped石墨烯表面。吸附参数表明NF之间有良好的反应₃和N₂O分子Ga-doped石墨烯表面。

如数据所示(14日)- - - - - -14 (d),是TDOS和NF的pdo₃和N₂O Ga-doped石墨烯表面。对NF₃分子,将出现一个新的高峰NF pdo的贡献₃分子,2 p轨道的N原子,F原子的2 p轨道,和3 p轨道的Ga原子耦合。N₂pdo的分子,它可以看到图,没有新高峰 ,和一个新的峰值发生在导带地区,并与Ga的3 p轨道原子,表明N₂O分子与Ga-doped石墨烯拥有强大的交互。

数据(15日)和15 (b)显示了NF的电荷密度差₃和N₂O在Ga-doped石墨烯。可以看出,在NF的吸附₃和N₂O, F原子附近的颜色变红,说明电荷增加,和N原子附近的颜色变成蓝色,表明电荷减少。N1原子附近的电荷在N和O原子₂O增加,分子和原子N2和石墨烯表面附近的电子浓度降低,表明气体获得。

4所示。结论

NF的吸附特性₃和N₂Al - O分子和Ga-doped石墨烯表面进行了研究,为了寻找抵抗化学传感器材料GIS内部故障诊断。其中,最可能的吸附的NF模式₃分子是F原子接近Al-doped石墨烯。他们有大的电荷转移和 ,短 ,和强相互作用。最可能的吸附模式N₂O分子Al-doped石墨烯是M2模式,这是接近的N原子。从吸附参数,可以看出N之间也有很强的互动₂O分子和Al-doped石墨烯。Ga原子和铝原子属于同一家庭的元素,Ga原子的模拟也进行了。结果表明Ga-doped石墨烯和Al-doped石墨烯的吸附参数相似,和Ga-doped石墨烯可能也是一个传感材料。

目前的工作更多地解释了协会的科幻小说的特征分解组件₆/ N₂气体混合物和Al - Ga-doped石墨烯,并提供了吸附特征分解的理论基础组件在科幻小说₆/ N₂气体混合物在Al -和Ga-doped石墨烯。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢的支持重庆市教委科学技术研究项目(批准号KJZD-K202001505 KJQN202001503)和研究生科技创新项目重庆科技大学(批准号YKJCX2120404)。