PdSe2 /MoS2 异质结对SF6 分解气体的高灵敏度传感性能：理论设计与应用前景

为解决气体绝缘开关设备(GIS)中局部放电(PD)导致的SF6 分解气体检测难题，研究人员基于密度泛函理论(DFT)构建PdSe2 /MoS2 异质结模型，发现其对SO2 等气体吸附能力显著提升（SO2 SO2 F2 SOF2 H2 S>HF），且SO2 吸附由物理吸附转为化学吸附，为GIS故障监测提供新型传感器设计理论依据。

　　

在高压电力系统中，气体绝缘开关设备(GIS)因体积小、可靠性高被广泛应用，但其长期运行中产生的局部放电(PD)会引发SF₆
分解，生成H₂
S、SO₂
等腐蚀性气体，导致绝缘性能劣化甚至设备故障。传统检测方法如脉冲电流法存在精度低、抗干扰差等局限，而基于二维材料的传感器因其高比表面积和灵敏的电子响应成为研究热点。然而，单一材料如PdSe₂
对SF₆
分解气体的吸附能力有限，亟需通过异质结设计提升性能。

针对这一挑战，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表论文，通过密度泛函理论(DFT)系统研究了PdSe₂
/MoS₂
异质结对五种SF₆
分解气体（H₂
S、SO₂
、SO₂
F₂
、SOF₂
和HF）的吸附特性。研究采用QuantumATK软件包，利用广义梯度近似(GGA-PBE)处理交换关联能，并引入范德华力(vdW)修正，通过计算吸附能、能隙、电荷转移等参数揭示异质结的传感机制。

几何结构与电子性质
优化后的PdSe₂
/MoS₂
异质结呈现稳定的层间距离3.34 ?，界面形成type-II能带对齐，促进电荷分离。与单层PdSe₂
相比，异质结的能隙显著减小，增强了气体吸附后的电子响应。

气体吸附性能
SO₂
在异质结上的吸附能(-1.23 eV)远高于单层(-0.38 eV)，且发生明显的电荷转移(0.38 e)，表明从物理吸附转变为化学吸附。通过电荷密度差分和分子轨道分析，发现SO₂
的O原子与PdSe₂
层形成强耦合，而MoS₂
层提供额外的电荷传输通道。五种气体的吸附能力排序为SO₂

SO₂
F₂
SOF₂
H₂
S>HF，与投影态密度(PDOS)中气体-材料轨道杂化程度一致。

传感特性优化
异质结吸附气体后的功函数变化(ΔΦ)比单层材料提高40%-60%，其中SO₂
吸附导致ΔΦ达0.51 eV，显著提升电信号响应。恢复时间计算显示，异质结对SO₂
的室温响应时间为毫秒级，兼具高灵敏度和可逆性。

该研究首次从理论上证实PdSe₂
/MoS₂
异质结可精准识别SF₆
分解气体，尤其对SO₂
的化学吸附行为为设计高选择性传感器提供新思路。通过调控异质结界面电子结构，实现了对GIS故障标志气体的快速检测，为电力设备智能化运维奠定理论基础。未来可结合场效应晶体管(FET)器件实验进一步验证其实际应用价值。