掺杂Ti和Cr的蓝色磷烯单层对CO?和SO?气体的吸附行为：第一性原理分析

《Surfaces and Interfaces》：Adsorption Behavior of the Blue Phosphorene Monolayer, Doped with Ti and Cr, for CO 2 and SO 3 Gases: A First-Principles Analysis

蓝磷烯及其Ti/Cr掺杂对CO?和SO?吸附特性研究，通过DFT计算发现掺杂后化学吸附增强，分析能带结构、电学性质及电荷转移，证实掺杂蓝磷烯更适用于气体吸附。

　　在当前的环境中，有毒气体已成为一个严重的问题，这些气体来源于自然现象，如野火和火山喷发，也来源于人类活动，如工业生产、车辆排放以及燃料燃烧。这些污染物不仅对人类健康造成威胁，还对生态系统造成破坏，影响野生动物、污染水源并损害土壤质量。因此，开发高效、可靠的气体传感器对于环境监测、工业过程管理以及农业和医疗领域的应用至关重要。其中，二氧化碳（CO?）和三氧化硫（SO?）是两种重要的工业污染物，它们对环境和人类健康都具有深远的影响。

CO?是一种无色气体，主要与全球气候变化相关，其温室效应导致海平面上升，进而影响地球生态系统。而SO?则与酸雨的形成密切相关，对生态环境造成广泛损害。高浓度的CO?和SO?气体对人体健康也构成威胁。CO?暴露可能导致呼吸性酸中毒、认知功能障碍和头晕，而SO?在与水分结合后会形成硫酸，对呼吸系统造成损伤。因此，研发一种能够有效检测这两种气体的传感器具有重要的现实意义。

随着材料科学的发展，新型材料被广泛应用于气体传感器领域，特别是在常温条件下检测特定气体分子方面，这些材料展现出卓越的灵敏度和选择性。二维（2D）材料因其独特的物理化学性质和高表面积比，被认为是气体传感应用的理想选择。例如，石墨烯、氮化硼、莫比乌斯硼碳氮以及某些半导体化合物已经被研究用于气体传感器。这些材料的能带结构和载流子迁移率是构建新型纳米器件的关键因素。

近年来，研究人员对蓝磷烯（Blue Phosphorene, BLPS）表现出浓厚的兴趣。蓝磷烯是一种相对稳定的单层磷元素形态，类似于黑磷烯（Black Phosphorene, BP）。黑磷烯是通过剥离块状黑磷获得的一种新型二维材料，其能带结构可以在单层时达到约1.51 eV，而在五层结构时降低至0.59 eV。此外，黑磷烯的载流子迁移率（最高可达103 cm2/Vs）和开/关比（超过10?）使其成为潜在的晶体管和电池通道材料。

蓝磷烯的发现为二维材料的研究带来了新的视角。蓝磷烯可以通过特定的位错机制从黑磷烯中生成，其结构可以呈现两种不同的排列方式：一种是类似于黑磷烯的椅式构型（α-磷烯），另一种是类似蓝磷烯的锯齿构型（β-磷烯）。蓝磷烯的带隙约为2 eV，属于间接带隙半导体，其独特的结构特性使其在化学和生物传感领域具有广阔的应用前景。然而，蓝磷烯的合成通常需要复杂的条件和基底，如金（111）或铜（111）等，这限制了其大规模生产和商业化应用。

在本研究中，我们重点关注了蓝磷烯及其钛（Ti）和铬（Cr）掺杂变体（DBLPS）对CO?和SO?气体的吸附特性。我们采用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）方法进行计算，以探讨这些材料在吸附气体分子时的行为。研究结果显示，原始蓝磷烯与CO?和SO?气体之间主要发生物理吸附，而掺杂后的DBLPS则表现出化学吸附的特性。这一发现表明，通过掺杂可以显著增强蓝磷烯对这两种气体的吸附能力。

为了深入理解吸附行为对材料性能的影响，我们分析了密度态（Density of States, DOS）、部分密度态（Partial Density of States, PDOS）、电子特性、电荷转移以及恢复时间等参数。吸附气体分子后，蓝磷烯的能带结构发生变化，出现了杂质态，这不仅改变了系统的密度态分布，还提高了其电导率。此外，电荷转移分析表明，DBLPS与CO?和SO?气体之间的相互作用比原始蓝磷烯更强，这进一步支持了掺杂对气体吸附性能的提升作用。

除了吸附特性，我们还探讨了不同气体对蓝磷烯及其掺杂变体光学性质的影响。这些分析有助于揭示材料在不同气体环境下的响应机制，为设计高性能气体传感器提供了理论依据。此外，研究还指出，蓝磷烯及其掺杂变体在常温条件下能够有效吸附CO?和SO?气体分子，这使其成为环境监测和工业安全领域的重要候选材料。

综上所述，本研究通过理论计算揭示了蓝磷烯及其掺杂变体在吸附CO?和SO?气体方面的潜力。我们发现，掺杂能够显著改善材料的吸附性能，使其从单纯的物理吸附转变为更有效的化学吸附。此外，材料的电子和光学性质在吸附过程中发生了变化，这为未来气体传感器的设计和优化提供了新的思路。尽管蓝磷烯的合成仍面临一定的挑战，但其在气体吸附和传感方面的优异性能使其在实际应用中展现出巨大的前景。