金属功能化锯齿六边形碳化硅纳米管增强磷化氢(pH3)气体传感性能的DFT研究

本文通过密度泛函理论(DFT)系统研究了过渡金属(Ag/Cu/Ni/Pd)功能化锯齿六边形碳化硅纳米管(ZHSiC-NT)对剧毒气体PH3的传感机制。研究发现Cu/Ni修饰显著降低HOMO-LUMO能隙（ZHSiC-NT-i-Cu从1.341降至0.992 eV），紫外光谱红移证实其高灵敏度，为开发新型磷化氢传感器提供理论依据。

　　

Highlight

金属功能化ZHSiC-NT在PH₃吸附后展现出显著电子特性变化：内向功能化体系如ZHSiC-NT-i-Cu的HOMO-LUMO能隙从1.341 eV锐减至0.992 eV，ZHSiC-NT-i-Ag体系从1.225 eV降至约1.13 eV，这种能隙收缩现象直接反映了材料电子敏感性的提升。更值得注意的是，HOMO-LUMO轨道分布在Ag/Cu修饰体系中高度局域于吸附位点周围，这种电荷重分布行为增强了与PH₃分子的轨道重叠效应。

Computational methodology

采用Gaussian 16软件进行密度泛函理论(DFT)计算，选用B3LYP杂化泛函精确预测电子行为。结构优化包含锯齿六边形碳化硅纳米管(ZHSiC-NT)及其金属功能化衍生物（Ag/Cu/Ni/Pd）的几何构型、电子结构（最高占据分子轨道HOMO/最低未占分子轨道LUMO）、光学性质和自然键轨道(NBO)分析。

Optimized structures

图1展示了锯齿六边形碳化硅纳米管(ZHSiC-NT)及其过渡金属功能化结构。原始ZHSiC-NT通过随机选择的硅原子位点（位点4）进行内外双向功能化：外向(O)修饰将金属原子附着于管外表面，而内向(i)修饰则将原子嵌入管腔内部，这种差异化修饰策略为研究几何构型-传感性能关系提供了理想模型。

Conclusion

本理论研究证实：金属功能化使ZHSiC-NT成为极具前景的PH₃传感材料，其中Cu/Ni修饰表现出最强的PH₃吸附能力（吸附能E_a显著提升）。但需注意，较长的恢复时间表明需要引入外部刺激（如热/紫外激活）来实现传感器再生。紫外-可见吸收光谱的特征红移现象，为开发实时磷化氢检测技术提供了光学传感新思路。