Os 掺杂及嵌入 Janus WSSe 单分子层检测变压器油中溶解气体的 DFT 洞察：开启高效气敏材料设计新征程

在电力系统中，油浸式变压器内部故障诊断至关重要，溶解气体分析（DGA）是关键方法。研究人员利用密度泛函理论（DFT）研究 Os 掺杂 / 嵌入 Janus WSSe 对 6 种 DGA 气体的吸附行为。结果表明其能增强气敏性能，为设计高性能气敏材料提供理论指导。

　　在现代电网中，油浸式变压器扮演着举足轻重的角色，它采用油纸绝缘结构，承担着电力传输与分配的关键任务。然而，长期运行过程中，高能量放电、绝缘材料老化以及绕组过热等问题频繁出现，严重威胁着变压器的安全稳定运行。为了及时发现这些潜在故障，溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis，DGA）成为了重要手段。通过检测变压器油中诸如 H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、H₂O 和 CO 等关键指示气体的含量变化，能够有效判断变压器内部的故障类型和严重程度。

但现有的 DGA 方法存在诸多不足。传统的光声光谱法和气相色谱法虽然检测精度高，可设备昂贵、操作复杂，无法满足现场实时监测的需求。随着智能电网的快速发展，对变压器故障检测的灵敏度、准确性和实时性提出了更高要求，因此，寻找一种更高效、便捷的检测方法迫在眉睫。

二维过渡金属二硫属化物（Two - dimensional transition metal dichalcogenides，TMDs）凭借其大比表面积和高载流子迁移率等优势，在气敏领域崭露头角。Janus TMDs，如 WSSe，是由两种不同的硫属层夹着过渡金属层构成，具有独特的 Rashba 效应以及优异的光学、压电和催化性能。不过，本征 Janus TMDs 的气敏性能还有很大提升空间。过渡金属掺杂被认为是增强气敏性能的有效途径，但此前针对过渡金属掺杂 Janus WSSe 单分子层检测变压器油中溶解气体的研究较少，其气敏性能相较于主流材料是否更优也有待探索。

在这样的背景下，为了突破现有技术瓶颈，提升变压器油中溶解气体检测的水平，有研究人员开展了关于 Os 掺杂及嵌入 Janus WSSe 单分子层检测变压器油中溶解气体的研究。该研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上。研究人员提出了两种 Os 掺杂 Janus WSSe 的修饰模型，一种是在 WSSe 的 S 或 Se 层表面进行 Os 原子修饰，另一种是将 Os 原子嵌入 S 或 Se 原子空位中。

研究人员主要运用了基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）的计算方法，借助 Materials Studio 软件中的 DMol³模块，对目标气体分子和基底进行几何结构优化，同时考虑了长程色散相互作用和自旋情况，以此来系统分析吸附构型、电子性质等多方面的特性。

下面来看具体的研究结果：

1. 吸附能和电荷转移：通过计算吸附能（E_ads）和电荷转移（Q_T）发现，Os 掺杂 / 嵌入增强了本征 WSSe 对气体的吸附能力，不同气体的吸附能力排序为 C₂H₂ > CO > C₂H₄ > H₂ > H₂O > CH₄ 。这表明修饰后的 WSSe 对不同气体的吸附存在差异，且对部分气体有较强的吸附倾向。
2. 电子结构分析：研究电子态密度（Density of States，DOS）、电荷密度差（Charge Density Difference，CDD）和电子定位函数（Electron Localization Function，ELF）等发现，Os 掺杂 / 嵌入改变了 WSSe 的电子结构，影响了电子的分布和转移，这进一步解释了其气敏性能增强的原因。例如，电子结构的变化使得气体与材料之间的相互作用发生改变，从而提高了吸附效率。
3. 功函数和光学性质：分析功函数和光学性质可知，Os 的修饰对这些性质产生了显著影响。功函数的变化与气体吸附过程中的电荷转移密切相关，而光学性质的改变则为通过光学手段检测气体提供了可能，这为气敏传感器的设计提供了新的思路。
4. 灵敏度和恢复时间：研究还考察了修饰后的 WSSe 对不同气体的灵敏度和恢复时间。结果显示，D - Os/WSSe 能够在室温下快速检测 CH₄ ，E - Os/WSSe 在 498 K 时可有效检测 H₂ ，并且两种单分子层在 398 K 时对 H₂O 都有良好的传感效果。这表明不同修饰方式的 WSSe 在不同温度下对特定气体具有较高的检测灵敏度和合适的恢复时间，为实际应用提供了参考。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：Os 掺杂或嵌入 Janus WSSe 单分子层能够显著增强其对变压器油中溶解气体的吸附能力和气敏性能，不同的修饰方式和温度条件下，对不同气体的检测效果有所差异。这一研究为设计高性能的溶解气体传感材料提供了重要的理论指导，有助于推动变压器油中溶解气体检测技术的发展，提高电力系统的安全性和稳定性。同时，该研究也为二维材料在气敏领域的应用开辟了新方向，为后续相关研究提供了宝贵的经验和参考。

在研究过程中，研究人员运用的关键技术方法主要基于密度泛函理论（DFT），利用 Materials Studio 软件中的 DMol³模块进行几何结构优化和电子结构计算。在计算交换关联相互作用时采用广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation，GGA）中的 Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）泛函，并运用 Grimme（DFT - D2）方法考虑长程色散相互作用，采用无限制自旋方法处理自旋问题。这些技术方法相互配合，为研究气体在 Janus WSSe 单分子层上的吸附行为提供了有力的支持。