铂掺杂石墨烯基三元BNC2 单层材料对NO2 和SO2 气体传感行为的调控机制研究

针对工业有毒气体检测灵敏度不足的难题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了铂掺杂BNC2 (Pt@BNC2 )对H2 、H2 S、NO2 和SO2 的吸附特性。发现Pt掺杂显著增强气体相互作用，其中NO2 和SO2 表现出最强电荷转移和最短恢复时间，为开发高性能气体传感器提供了新思路。

　　

随着工业快速发展，H₂
S、NO₂
和SO₂
等有毒气体的排放严重威胁生态环境和人类健康。传统气体传感器存在灵敏度低、选择性差等问题，而二维纳米材料因其超大比表面积和可调电子特性成为研究热点。其中石墨烯基三元BNC₂
单层结合了石墨烯(Gr)和六方氮化硼(h-BN)的优势，但原始材料对特定气体的吸附能力有限。为此，沙特国王大学药物探索与开发主席团队通过密度泛函理论(DFT)系统研究了铂(Pt)掺杂对BNC₂
气体传感性能的调控机制，相关成果发表在《Journal of Molecular Graphics and Modelling》。

研究采用DFT-D3(包含色散校正的密度泛函理论)方法，首先构建BNC₂
单层模型，通过氢原子饱和边缘防止极化效应。Pt原子被引入硼或氮位点形成Pt@BNC₂
，系统比较了其对H₂
、H₂
S、NO₂
和SO₂
的吸附构型、电子转移和恢复时间特性。

优化几何结构
研究发现Pt与BNC₂
结合能高达-3.12 eV，虽轻微突出平面但结构稳定。掺杂后C-C键长从1.44 ?缩短至1.42 ?，表明Pt诱导了晶格收缩。这种结构变化为气体吸附提供了更多活性位点。

气体吸附特性
Pt@BNC₂
对NO₂
和SO₂
的吸附能分别达到-1.85 eV和-1.72 eV，远高于原始材料。电荷分析显示NO₂
从基底获得0.38 e^-
，SO₂
获得0.29 e^-
，证实二者作为强电子受体的特性。相比之下，H₂
和H₂
S的相互作用较弱，体现出优异的选择性。

恢复时间分析
在298 K温度下，Pt@BNC₂
对NO₂
和SO₂
的恢复时间分别为1.2 ms和8.4 ms，满足实时检测需求。这种快速响应归因于Pt掺杂优化的电子传输通道。

该研究证实Pt@BNC₂
是极具潜力的双功能材料，既能高效捕获有毒气体，又可作为敏感检测元件。通过单原子掺杂策略平衡了贵金属成本与性能的矛盾，为环境监测和工业安全提供了新材料设计范式。Mustafa Habeeb Chyad等学者指出，该材料在室温操作、抗干扰性等方面仍需进一步优化，但其优异的性能为开发下一代智能传感器奠定了理论基础。