铂掺杂B2 CN3 单层材料对PH3 和HCN气体传感性能的调控机制：基于DFT的理论研究

本研究针对工业有害气体（PH3 /HCN）和清洁能源H2 的检测难题，通过密度泛函理论（DFT）系统探究了Pt掺杂B2 CN3 单层材料的传感特性。结果表明该材料对HCN表现出-1.95 eV的强化学吸附，对PH3 具有83%以上灵敏度，其带隙变化（-1.26→-0.25 eV）和快速恢复特性为开发高效HCN清除器和PH3 传感器提供了理论依据。

　　

随着工业发展导致NH₃
、HCN等有毒气体排放增加，以及氢能源需求激增，开发高性能气体传感材料成为迫切需求。传统金属氧化物传感器存在灵敏度低、难以检测H₂
等问题，而二维材料因其高比表面积和可集成性展现出优势。然而，大多数二维材料对有害气体响应有限，且缺乏针对PH₃
等特殊气体的选择性识别机制。

沙特阿拉伯国王科技大学的研究团队通过密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数方法，首次系统研究了Pt掺杂B₂
CN₃
单层对四种气体（NH₃
/HCN/PH₃
/H₂
）的传感性能。研究发现该材料对HCN表现出-1.95 eV的强化学吸附（chemisorption），灵敏度达92%；对PH₃
则显示独特物理吸附（physisorption）特性，灵敏度超过83%。带隙分析表明气体吸附后材料从金属态（-1.26 eV）转变为窄带隙半导体（-0.11 eV）。该成果为开发兼具HCN清除和PH₃
监测功能的智能传感器提供了新思路，论文发表于《Materials Chemistry and Physics》。

关键技术包括：1）采用B3LYP泛函和6-31G(d)基组进行结构优化；2）引入Grimme D3色散校正处理弱相互作用；3）通过电子局域函数（ELF）和电荷转移分析吸附机制；4）基于非平衡格林函数计算恢复时间。

【电子特征与几何结构】
通过声子谱和分子动力学验证了B₂
CN₃
单层的稳定性，晶格参数4.95 ?与文献一致。Pt掺杂使材料从半导体转为金属态，B-N键长缩短至1.45 ?，增强了结构刚性。

【气体吸附行为】
HCN吸附导致体系电荷转移0.38 e，PH₃
吸附仅转移0.12 e。差分电荷密度图显示Pt原子作为活性中心与HCN形成强轨道耦合，而与PH₃
主要通过范德华力作用。

【恢复时间分析】
298K温度下HCN的脱附能垒达1.84 eV，需紫外光辅助脱附；PH₃
因物理吸附特性可在常温快速脱附，满足实时监测需求。

该研究揭示了Pt-B₂
CN₃
材料"一材双效"的独特机制：通过化学吸附实现HCN的高效捕获与清除，借助物理吸附完成PH₃
的可逆检测。理论计算的92%灵敏度显著优于传统SnO₂
传感器（约60%），为设计新型智能气体传感阵列提供了重要参考。研究同时指出，未来需通过实验验证材料在实际环境中的抗干扰性能，并探索其他过渡金属掺杂对选择性的调控规律。