空位工程化WS2 /WSe2 面内异质结选择性传感NOx （x=1,2）的DFT+U理论研究：环境监测与健康防护新策略

针对NOx （x=1,2）选择性检测难题，研究人员通过DFT+U理论计算，系统研究了空位修饰的WS2 /WSe2 面内异质结对7种毒性气体（含NOx ）的吸附行为。发现S/Se空位可显著增强NOx 吸附强度与电荷转移，其中NO表现出1800%超高灵敏度且不可逆吸附，NO2 则具备高温快速脱附特性（<30 s@698 K），为设计高选择性NOx 传感器提供了理论依据。

　　

随着工业化和城市化进程加速，氮氧化物（NO_x
，x=1,2）已成为大气污染和公共健康的主要威胁。这些气体不仅是光化学烟雾和酸雨的前体，更与呼吸系统、心血管疾病直接相关。然而，在实际环境中，NO_x
常与N₂
O、NH₃
、H₂
S等共存，传统传感器因交叉干扰难以实现精准检测。二维材料尤其是过渡金属二硫属化物（TMDs）因其高比表面积和可调电子结构被视为理想传感平台，但现有技术仍面临选择性差、热稳定性不足等瓶颈。

为解决这一挑战，重庆市的科研团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，采用密度泛函理论（DFT+U）结合从头算分子动力学（AIMD），系统分析了WS₂
/WSe₂
面内异质结在引入硫（S）或硒（Se）空位后对7种毒性气体的吸附特性。通过计算吸附能、电荷密度差（CDD）、电子局域函数（ELF）等参数，结合灵敏度分析和脱附动力学模拟，揭示了空位工程对NO_x
选择性识别的分子机制。

关键方法
研究采用Materials Studio软件包，基于PBE泛函进行GGA计算，W 5d轨道引入U=2.87 eV的Hubbard修正。通过DMol³
和CASTEP模块优化异质结与气体分子构型，采用Grimme方法校正范德华力。热稳定性通过AIMD在698 K下验证，灵敏度通过吸附前后电导率变化率定量评估。

研究结果

Intrinsic WS₂
/WSe₂
heterojunction and gas molecule structures
几何优化显示，NO₂
和SO₂
呈弯曲构型（键角分别为134.1°和119.2°），而NO、CO保持线性结构。异质结界面处形成0.43 eV的II型能带排列，为空位诱导的电荷再分布奠定基础。

Computational methods
U值设定使W 5d态密度更接近HSE06杂化泛函结果，带隙误差从PBE的1.12 eV降至0.38 eV。空位形成能计算表明Se空位（2.17 eV）比S空位（1.89 eV）更难形成，但两者在室温下均能稳定存在。

Conclusions

1. 空位工程使NO吸附能从-0.38 eV（本征）增强至-1.52 eV（S空位），电荷转移量提升4倍，导致1800%电导变化和不可逆化学吸附，适用于一次性捕获；
2. NO₂
   在698 K下脱附时间<30秒，满足高温实时监测需求；
3. 其他气体（如NH₃
   、CO）吸附能均<-0.5 eV，验证了体系对NO_x
   的特异性识别。

讨论与意义
该研究首次阐明空位类型与NO_x
吸附构效关系：S空位通过暴露W原子提供强结合位点，而Se空位诱导的界面极化增强NO₂
的偶极相互作用。理论预测的灵敏度（NO>1800%）和选择性（NO_x
/背景气体>20倍）超越多数报道的贵金属修饰传感器。成果为开发耐高温、抗干扰的NO_x
监测设备提供新材料设计范式，尤其适用于工业排放和机动车尾气等复杂环境。