过渡金属掺杂WS2对变压器油中溶解气体的吸附与传感特性：DFT理论设计与应用

为解决油浸式变压器故障气体检测难题，研究人员通过密度泛函理论（DFT）分析了Au、Pt、Fe、Rh、Cu掺杂WS2对CO、CH4、C2H2、C2H4的吸附特性。结果表明，Pt-WS2对CH4、Rh-WS2对C2H4、Cu-WS2对C2H2具有高灵敏度和快速响应，为新型气体传感器设计提供理论依据。

　　

油浸式变压器是电力系统的核心设备，其故障可能导致大规模停电。当内部绝缘材料因局部放电或过热分解时，会产生CO、CH₄、C₂H₂、C₂H₄等特征气体。传统检测技术存在灵敏度低、响应慢等问题，而二维材料WS₂因其高比表面积和可调电子结构成为研究热点。然而，本征WS₂对气体吸附能力有限，亟需通过改性提升性能。

为突破这一瓶颈，国内研究人员通过密度泛函理论（DFT）系统研究了过渡金属（TM）掺杂WS₂的传感机制。研究采用Materials Studio软件的Dmol³模块，结合Tkatchenko-Scheffler（TS）方法处理范德华力，优化了TM-WS₂结构和气体吸附模型，通过吸附能、电荷转移、能带结构和状态密度（DOS）等参数评估性能。

研究结果

1. 结构与吸附特性：
   对比S位和W位掺杂，发现TM替代W位更稳定。Au因结合能过低被排除，而Pt、Fe、Rh、Cu掺杂体系均显著提升气体吸附能力。例如，Pt-WS₂与CH₄的吸附能达-0.93 eV，远高于本征WS₂的-0.12 eV。

2. 电子性质分析：
   DOS显示，TM掺杂在费米能级附近引入新态，增强气体分子与基底的轨道杂化。Rh-WS₂吸附C₂H₄后带隙变化达42.3%，远高于本征体系的5.1%，表明其优异的电学响应。

3. 动态性能评估：
   Cu-WS₂对C₂H₂的室温恢复时间仅0.18秒，而Fe-WS₂在CO检测中灵敏度高达1.7×10⁴，兼具快速脱附与高信号输出能力。

结论与意义
该研究首次系统揭示了TM-WS₂对变压器故障气体的构效关系：Pt-WS₂、Rh-WS₂和Cu-WS₂分别成为CH₄、C₂H₄和C₂H₂的理想传感材料，其高吸附能、显著电荷转移和可逆响应特性，为开发新一代在线监测器件奠定基础。论文发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，为二维材料在电力设备智能诊断中的应用开辟新途径。