氮磷掺杂单层ZrS2 对六种有害气体的吸附响应机制及传感应用研究

为应对工业废气污染问题，研究人员通过第一性原理计算，系统研究了N/P掺杂单层ZrS2 对CO2 、SO2 、NH3 等六种气体的吸附特性。发现N-ZrS2 对NH3 具有特异性化学吸附，P-ZrS2 对NO2 /CO展现优异传感潜力，电场可调控吸附能。该研究为开发新型二维气体传感器提供了理论依据。

　　

随着21世纪工业快速发展，CO₂
、SO₂
等有害气体排放导致的环境污染问题日益严峻。传统二维材料如石墨烯对气体分子的弱吸附性限制了其传感应用，而过渡金属二硫化物（TMDs）因其高比表面积和可调控的电子结构成为研究热点。湖南的研究团队通过理论模拟，首次揭示了氮磷掺杂单层ZrS₂
对六种典型污染气体的吸附机制，相关成果发表于《Computational and Theoretical Chemistry》。

研究采用密度泛函理论（DFT）结合GGA-PBE泛函，利用VASP软件包进行模拟，引入Grimme的D3校正处理范德华力。通过构建3.68 ?晶格常数的2×2×1超胞模型，分别用N/P原子替代S位点，系统分析了吸附构型、电荷转移和能带结构变化。

计算模型与方法
建立N/P掺杂的ZrS₂
超胞模型，采用PBE-D3方法精确处理气体分子与基底的相互作用，通过吸附能（E_ads
）和电荷密度差（CDD）评估吸附强度。

稳定吸附构型与掺杂效应
N-ZrS₂
与NH₃
形成-0.64 eV的强化学吸附，N-H键长缩短至1.03 ?；P-ZrS₂
对NO₂
和CO的吸附能分别达-0.45 eV和-0.38 eV，电荷转移量显著高于本征材料。电场调控实验表明，±0.6 V/?外场可使CO吸附能变化40%。

结论与意义
该研究证实P-ZrS₂
可作为NO₂
/CO的高选择性传感器，其n型半导体特性通过掺杂诱导的电子极化增强气体识别能力。Hong Gao和Yuliang Mao团队提出的电场调控策略，为开发可循环使用的智能气体检测器件提供了新思路，对环境污染治理具有重要应用价值。