GeC 单层：检测 C2H6、CO 等气体分子的高效传感 “新星”

在化工生产和工业排放中，C2H6、CO 等气体危害环境与人体健康。研究人员基于密度泛函理论（DFT），探究 GeC 单层对这些气体的吸附及传感特性。结果显示，GeC 对 CO 和 CH2O 吸附强、灵敏度高，极具应用潜力。

　　在化工生产和工业活动的大舞台上，各种气体纷纷 “登场”，然而其中不少却是隐藏的 “危险分子”。像乙烷（C₂H₆），一旦被人体吸入，会让人感觉不适，威胁着人们的健康；一氧化碳（CO）更是个 “狠角色”，它无色无味，却能悄悄剥夺人体组织的氧气，轻的会引发头痛、恶心，严重时甚至能夺走生命；硫化氢（H₂S）带着臭鸡蛋味，毒性却很强，即使浓度很低也不容小觑；甲醛（CH₂O）这个已知的致癌物，长期接触可能诱发白血病等癌症；甲烷（CH₄）作为温室气体的 “二号选手”，不仅加剧全球变暖，还存在爆炸风险；二氧化碳（CO₂）则是全球变暖的主要 “推手”，深刻影响着生态环境。为了及时发现这些 “危险分子”，研发高效、灵敏、稳定的气体传感材料迫在眉睫。

茅台学院等研究机构的研究人员挺身而出，开展了一项基于密度泛函理论（DFT）的研究，他们将目标锁定在 GeC 单层上，探究其对 C₂H₆、CO、H₂S、CH₂O、CH₄和 CO₂的吸附和传感特性。研究发现，GeC 单层对 CO 和 CH₂O 展现出强大的吸附能力，灵敏度高、选择性好，而且解吸速度极快，分别为 7.53×10^?11 秒和 8.76×10^?10 秒，这意味着它能快速 “抓住” 又快速 “放走” 气体分子，具有良好的可逆性和检测效率。这一成果为环境监测和工业安全领域带来了新的希望，有望开发出更先进的气体传感器。该研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上。

研究人员在研究过程中主要运用了以下关键技术方法：使用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行全部计算；采用广义梯度近似（GGA）中的 Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）函数描述交换关联泛函；为提高对范德华相互作用模拟的准确性，将 Grimme 的 DFT - D3 校正融入 DFT 计算。

结果与讨论

研究人员构建了由 9 个 Ge 原子和 9 个 C 原子组成的 3×3×1 超晶胞，并对 GeC 单层的原子结构进行优化。优化后的 GeC 单层属于 P6m2 对称群，晶格常数 a = b = 3.233?，呈现规则的六边形结构，Ge 和 C 原子交替排列，每个 Ge 原子与相邻 C 原子以 1.867? 的键长共价键合，形成特定的结构。

通过吸附能计算，研究人员确定了不同气体分子在 GeC 单层上的最佳吸附构型。电子局域函数（ELF）分析表明，这些气体分子在 GeC 单层上的吸附属于物理吸附，这种吸附方式有利于气体的快速解吸，能够提升传感器的响应速度，对实际应用意义重大。

从电子结构角度分析，GeC 单层对 CO 和 CH₂O 气体展现出高选择性和强相互作用。能带结构和态密度（DOS）计算揭示了气体吸附会引起 GeC 单层电子性质的变化。此外，灵敏度分析和解吸时间计算进一步证实，GeC 单层是极具潜力的室温气体传感材料，能有效检测 CO 和 CH₂O。

研究结论与意义

这项基于 DFT 计算的研究，从理论上预测并分析了 GeC 单层对化工生产和工业排放中六种有害气体的吸附和传感特性。通过多种分析手段，确定了各气体的最佳吸附构型，评估了气体解吸行为，详细分析了气体吸附前后的电子结构变化。研究结果表明，GeC 单层作为检测 CO 和 CH₂O 的气体传感器极具潜力，它高效、稳定且可重复使用，为环境监测和工业安全领域的气体检测提供了新的研究方向和应用前景，有望推动相关领域的技术革新，更好地保障人们的生活环境和生产安全。