钛掺杂二硫化钒单层材料高效传感目标挥发性有机化合物的机理研究

本研究针对挥发性有机化合物(VOCs)检测的挑战，通过密度泛函理论(DFT)系统研究了钛/铬掺杂二硫化钒(VS2)单层材料对环氧丙烷(PO)和巴豆醛(CRA)的吸附特性。发现钛掺杂显著提升吸附能至-1.71 eV，电荷转移分析揭示p-d轨道杂化机制，为开发高灵敏度VOCs传感器提供了理论依据。

　　

挥发性有机化合物(VOCs)是威胁环境和人类健康的重要污染物，其中环氧丙烷(PO)和巴豆醛(CRA)作为典型VOCs，具有高毒性和易燃易爆特性。传统检测技术如质谱仪成本高昂，金属氧化物传感器则存在选择性差、工作温度高等缺陷。二维材料因其独特的表面活性位点和电子特性成为研究热点，而过渡金属二硫化物(TMDs)中的二硫化钒(VS₂)因其高导电性和基底面反应性备受关注。然而，原始VS₂对VOCs的吸附性能较弱，亟需通过掺杂改性提升其传感性能。

为突破这一技术瓶颈，巴基斯坦Poonch大学的研究团队采用密度泛函理论(DFT)系统研究了VS₂单层材料在三角棱柱(H)和八面体(T)两种晶相下的特性，并探索钛(Ti)/铬(Cr)掺杂对PO和CRA吸附性能的影响。研究通过DFT-D3方法校正范德华力，采用DFT+U_eff处理过渡金属d轨道强关联效应，计算了吸附能、电荷转移、功函数等关键参数。

结构特性

研究发现Ti掺杂VS₂的结合能(-4.62 eV)显著优于Cr掺杂(-2.73 eV)，且Ti原子在H相中向内凹陷形成2.93 ?的V-Ti键。掺杂导致VS₂厚度变化，T-Ti-VS₂厚度增至3.29 ?。

电子与磁学特性

原始H相VS₂呈现0.46 eV间接带隙半导体特性，而Ti掺杂使其转变为n型半导体(带隙0.20 eV)。特别值得注意的是，T相VS₂掺杂后转变为半金属态，总磁矩达33 μ_B，这为自旋电子学应用提供了可能。

VOCs吸附机制

Ti掺杂使PO在T相的吸附能提升至-1.66 eV，CRA在H相的吸附能达到-1.71 eV，均为化学吸附范畴。电荷密度差分(CDD)显示氧原子周围出现显著电荷积累(黄色区域)，而Ti原子周围电荷耗尽(青色区域)，证实通过Ti-O键形成电荷转移通道。轨道态密度(ODOS)分析揭示O的p_z轨道与Ti的d轨道在-4.6 eV处杂化，这是增强吸附的关键机制。

传感性能优化

功函数分析表明，PO吸附使T-Ti-VS₂功函数降低6%(5.609→5.267 eV)，这种显著变化可通过电学测量实现VOCs检测。Bader电荷分析显示Ti原子失去1.517e电荷，而O原子获得1.006e电荷，证实了电子转移方向。

该研究首次系统阐明了Ti掺杂VS₂对PO和CRA的传感机制，提出的p-d杂化模型为设计高性能VOCs传感器提供了理论指导。相比传统材料，Ti-VS₂在室温检测、选择性和灵敏度方面展现出显著优势，对工业安全监测和环境污染防控具有重要应用价值。特别是对PO爆炸性、CRA神经毒性的快速检测，可有效预防相关职业健康风险。研究采用的DFT+U方法为二维材料改性研究建立了可靠范式，其发现的半金属特性也为开发多功能传感材料开辟了新途径。