铜掺杂与氮化碳复合氧化锌材料结构和二氧化氮气体传感性质的密度泛函理论计算

作者：王娟; 肖华敏; 谢丁; 郭元茹^*; 潘清江^*

来源：Acta Chimica Sinica, 2023, 81(11): 1493-1499.

• ZnO基敏感材料
• 金属掺杂与二维材料复合
• Cu-Zn双金属活性位点
• 热力学反应与界面性质
• 传感机制
• 密度泛函理论计算

氮氧化物已引发环境污染和危害人类健康等诸多问题.然而,氧化锌基传感器件在监测时存在响应和恢复时间长、核心材料和传感反应过程中间体结构不明确、传感机制不清楚等缺点.为应对这些挑战,采用了全电子密度泛函理论探索铜掺杂氧化锌(标记为ZOC)及其复合物材料的结构和对NO2的传感反应;计算了复合物ZOC/CN和ZOC/Gr,并与纯ZnO进行对比,其中CN和Gr分别代表二维材料石墨型氮化碳和石墨烯.计算显示, ZOC具有Cu-Zn杂核双金属活性吸附位点;铜的引入增大了金属成分对最前线占据轨道贡献,使得ZOC可同时通过Cu/Zn-O供体作用和反馈供体作用吸附NO2;其吸附自由能相比ZnO增大0.27 eV.这很好地解释了铜掺杂氧化锌有更快NO2响应时间的实验结果.进一步复合CN能够提高NO2传感性能:ZOC/CN具有最大的NO2吸附能、很小的吸附第二个NO2上坡能(决速步)和较大的硝酸盐生成能.通过电子结构、反应能和界面相互作用计算,揭示了传感NO2的反应机制.本工作为理解金属掺杂和材料复合等合成策略以及筛选有潜质敏感材料奠定了理论基础.

• 单位
  黑龙江大学; 东北林业大学; 材料学院