三种有机挥发性气体在SnO2基气敏材料表面吸附行为的第一性原理研究

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SnO2基气敏材料是目前国内外研究较多的一种用于检测有毒有害气体的金属氧化物半导体气敏材料,而有关其气敏机理还存在较大争议,因此有必要继续开展这方面的研究工作。本文利用Materials Studio软件中Dmol3模块,模拟了乙腈、四氯乙烯和丙烯腈三种有机挥发性气体在SnO2基气敏材料表面的吸附过程,并对吸附能、电荷转移、电子态密度等吸附参数进行了计算,得出了如下主要结论:(1)三种气体在SnO2基气敏材料表面吸附时,吸附过程均为放热过程,体系向外界释放能量,促使整个体系变得稳定,同时气体分子会向表面转移电荷,使表面的电荷增多,进而使其表面电阻下降。吸附完成后,表面电子结构发生改变,在SnO2的禁带之间出现新的能带,使得SnO2的电子跃迁能力得到增强。(2)对于纯SnO2,构建了本征SnO2(110)晶面。在三种气体中,四氯乙烯无SnO2(110)法直接吸附在SnO2(110)晶面,在吸附过程中会远离SnO2(110)晶面,而其余两种气体在吸附过程可以直接吸附在SnO2(110)晶面的Sn5C原子上,气体中的N原子与表面Sn5C原子相连,形成Sn-N键。(3)SnO2吸收外部空气中的O2,先向O2转移电子使其电离成O2-,O2-接着吸附在氧空位缺陷表面得到预吸附氧表面。针对此类情况,构建了预吸附氧SnO2(110)晶面。三种气体均可直接吸附在预吸附氧表面,其中四氯乙烯在表面吸附时,预吸附面的O=O直接断裂,与四氯乙烯分子中的原子形成新键。与本征面相比,四氯乙烯在此处的吸附性能得到增强;而其余气体在预吸附面的吸附情况与本征面类似,但是相应吸附参数变差或变小,说明吸附性能未得到提高。(4)四氯乙烯(PCE)气体分子在SnO2/rGO异质结晶面吸附,但相同条件下,PCE气体分子在SnO2/rGO异质结晶面吸附时吸附能和电荷转移量两个参数值均变大。因此,PCE气体分子在SnO2/rGO复合气敏材料表面的气敏性能得到提高。
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