Fe/Co修饰BC6N单层材料对SF6分解气体的高效吸附与传感机制：第一性原理研究

本研究针对SF6断路器在运行中产生的SO2、SO2F2等腐蚀性分解气体监测难题，通过DFT计算系统探究了Fe/Co修饰BC6N单层材料的吸附-传感性能。发现金属修饰使吸附能提升至-1.01~-1.61 eV（化学吸附），对SO2F2的灵敏度达72.9%，UV照射可将脱附时间从117.5小时缩短至1.69纳秒，为开发可循环高灵敏度气体传感器提供理论依据。

　　

在电力系统中，SF₆断路器被誉为"电网守护神"，但其在电弧作用下会分解产生SO₂、HF等腐蚀性气体，如同潜伏的"系统杀手"。这些气体不仅会侵蚀设备部件，更可能引发重大电力事故。传统金属氧化物传感器存在灵敏度不足的缺陷，而过渡金属二硫化物(TMDCs)又因吸附过强难以循环使用，这就像在"灵敏性"与"可重用性"之间走钢丝。面对这一工程难题，研究人员将目光投向了新型二维材料——硼碳氮化物(BC₆N)单层。

通过密度泛函理论(DFT)计算，团队系统研究了Fe/Co修饰BC₆N对五种典型SF₆分解气体的作用机制。研究发现，原始BC₆N对气体分子仅为物理吸附，而金属修饰后产生显著电子转移，形成稳定的化学吸附。特别值得注意的是，Fe修饰体系对SO₂F₂的吸附能达到-1.61 eV，Co修饰体系则为-1.58 eV，均远高于原始材料。通过能带结构分析发现，气体吸附后会在禁带中引入杂质态，使Fe/BC₆N的带隙分别缩小23.5%和18.7%，这种电子结构的显著变化为电学传感提供了理论基础。

研究采用了几项关键技术：1）基于VASP软件的第一性原理计算，采用PBE-GGA方法处理交换关联能；2）通过NEB方法计算扩散能垒验证金属原子稳定性；3）结合CDD和DOS分析电荷转移机制；4）利用非平衡格林函数计算输运特性。

在"几何结构"部分，研究确认4×4超胞中B-C和C-N键长均为1.420 ?，呈现完美平面结构。金属修饰后，Fe/Co原子优先占据BCN环中心位置，形成稳定的配位结构。"吸附性能"分析显示，所有气体分子在金属修饰体系中都表现出明显的电荷重分布，其中SO₂F₂在Fe表面的电荷转移量高达0.38 e。"灵敏度评估"通过计算功函数变化发现，SOF₂吸附使Fe/BC₆N功函数增加0.47 eV，这种变化可通过场效应晶体管轻易检测。

最引人注目的是"恢复特性"研究：在室温下，最强吸附的SO₂F₂分子需要117.5小时才能脱附，但UV照射可将此过程加速至纳秒级。这就像为传感器装上了"光控开关"，通过调节光照条件即可实现吸附-脱附的精准控制。

该研究不仅首次揭示了BC₆N材料在气体传感领域的潜力，更创新性地提出"金属修饰+光调控"的双重控制策略。相比传统材料，Fe/Co-BC₆N体系兼具高灵敏度(>50%)和快速再生能力，为开发新一代智能电网监测设备提供了材料设计蓝图。正如作者Ali Raza Chachar在结论部分强调的，这种轻元素组成的无毒材料，有望成为电力设备气体监测的"绿色解决方案"。