贵金属(Pd/Pt)掺杂ZrSe2单层材料对C4F7N分解气体的传感机制研究及其在电气设备监测中的应用

为开发高效C4F7N绝缘设备状态监测技术，研究人员通过第一性原理计算系统研究了Pd/Pt掺杂ZrSe2单层对CFN、COF2和C2F3N的吸附特性与传感机制，发现掺杂体系在室温下具备优异的气敏性能与可逆性，为过渡金属二硫化物(TMDs)在电力工程中的气体监测应用提供了新思路。

　　

随着电力行业加速推进低碳转型，新型环保绝缘气体C₄F₇N正逐步替代传统SF₆气体。然而在电弧放电等故障条件下，C₄F₇N会分解产生CFN、COF₂等特征气体，其浓度与设备故障程度直接相关。目前亟需开发高灵敏度气体传感器以实现ppm级痕量气体检测，这对保障电力设备安全运行至关重要。

重庆工程职业学院的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，采用第一性原理计算方法系统探究了贵金属(Pd/Pt)掺杂ZrSe₂单层材料对C₄F₇N三种特征分解产物(CFN、COF₂、C₂F₃N)的传感性能。通过DMol³软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，选用PBE泛函处理电子交换关联作用，并引入DFT-D3方法校正范德华力。研究采用双数值加极化(DNP)基组，设置3×3×1超胞模型，通过吸附能(E_ad)、电荷转移(Q_T)和电荷密度差(CDD)等参数定量分析气敏性能。

结构特性分析
优化后的ZrSe₂单层显示Zr-Se键长为2.71 ?，与实验值3.77 ?高度吻合。掺杂后Pt-ZrSe₂体系表现出比Pd掺杂更稳定的结构，两者带隙分别为0.669 eV和0.677 eV。

气体吸附性能
所有体系均表现出化学吸附特征(E_ad>0.8 eV)，其中Pt-ZrSe₂对COF₂的吸附能达1.423 eV，电荷转移量0.178 e。CDD分析显示气体分子与基底间存在显著电子云重叠，证实了强相互作用。

电子结构响应
态密度(DOS)分析表明，气体吸附后费米能级附近出现新电子态，Pt-ZrSe₂在吸附COF₂后导电性显著提升，验证了电阻型传感机制。

恢复特性
计算显示COF₂在Pt-ZrSe₂上的脱附能垒为1.12 eV，室温下恢复时间约10^-7秒，表明材料具备良好的可重复使用性。

该研究首次证实Pd/Pt掺杂ZrSe₂单层对C₄F₇N分解气体具有优异传感性能，通过调控贵金属掺杂类型可实现对不同故障特征气体的选择性检测。研究成果不仅拓展了过渡金属二硫化物在电力设备状态监测中的应用场景，更为开发新一代环保绝缘气体在线监测系统提供了理论依据。Shaohua Hu团队的工作成功搭建了理论计算与工程应用之间的桥梁，对推动智能电网故障诊断技术发展具有重要意义。