锂簇基气体传感器的计算研究：电子结构调控与选择性吸附机制解析

本研究通过密度泛函理论(DFT)系统探究了Lin(n=2-20)团簇对8种有害气体的吸附特性。研究人员发现锂团簇尺寸效应显著影响其金属键强度和自旋极化特性，其中CO、CO2、H2S和NH3在0.2-0.7 eV最佳吸附能范围内表现出可逆选择性传感。该工作为开发新型高灵敏度气体传感器提供了理论依据，对环境污染监测和工业安全防护具有重要意义。

　　

随着工业发展带来的空气污染问题日益严峻，有毒气体监测已成为关乎环境和健康安全的重要课题。一氧化碳(CO)、氮氧化物(NO_x)、硫化氢(H₂S)等有害气体不仅导致呼吸系统疾病，更是造成酸雨、温室效应等环境问题的主要元凶。传统气体传感器在选择性、灵敏度和响应速度等方面存在明显局限，亟需开发新型传感材料。印度科技部INSPIRE项目资助的研究团队通过理论计算，深入探索了锂原子团簇这一具有独特量子限域效应的纳米材料在气体传感领域的应用潜力。

研究采用ωB97XD泛函结合Def2-TZVP基组进行DFT计算，系统分析了Li_n(n=2-20)团簇的结构特征和电子性质。通过吸附能计算、电荷密度分析、态密度(DOS)和约化密度梯度(RDG)等方法，全面评估了团簇与8种气体的相互作用机制。

【Li cluster optimization】部分显示，锂团簇稳定性随尺寸增大而增强，奇偶数团簇呈现显著差异：奇数团簇因自旋极化具有磁性，偶数团簇则表现出均匀电荷分布。电离势和化学硬度分析证实Li₇、Li₈、Li₁₉和Li₂₀具有特殊稳定性，符合jellium模型预测。

【Conclusions】部分指出，CO、CO₂、H₂S和NH₃在锂团簇上的吸附能(0.2-0.7 eV)处于理想可逆传感区间。其中NH₃和H₂S因强电荷重排效应最易被检测。偶极矩变化与吸附强度呈正相关，DOS分析证实气体吸附会显著改变团簇电子结构。研究同时发现H₂O和O₂在潮湿/富氧环境中的竞争吸附是实际应用的挑战。

该研究首次系统阐明了锂团簇的气敏机制，为设计新一代高选择性传感器提供了理论指导。通过精确调控团簇尺寸和电子结构，可实现对特定气体的快速、可逆检测，在环境监测和工业安全领域具有重要应用前景。论文发表于《Journal of Molecular Graphics and Modelling》，通讯作者为Mohsen Doust Mohammadi。