ZnO修飾C3NへのSF6分解生成物の吸着：理論的研究

要約

SF ₆ は、優れた絶縁媒体として、高電圧絶縁装置に広く使用されており、電力システムの安全な動作を保証します。それにもかかわらず、長時間動作するデバイスでの不可避の部分放電は、SF ₆の分解を引き起こします。絶縁性能が低下します。この作業では、DFT計算を実行して、ZnO修飾C ₃の吸着および検知特性を研究しました。 N（ZnO-C ₃ N）SF ₆に向けたナノシート SF ₆の動作状態を評価するための新しいナノ候補を提案するための分解生成物断熱材が工夫されています。まず、ZnO-C ₃の構造を調べました。 N単分子層を作成し、4つの典型的なSF ₆での吸着挙動をシミュレートしました。分解された種、すなわちH ₂ S、SO ₂ 、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ 。 ZnO-C ₃ N単分子層は、SO ₂に対して望ましい反応性と感度を示すことができます。、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ 、ガス分子の激しい変形と大きな吸着エネルギーにつながります。これらの結果により、ZnO-C ₃に基づくガス吸着剤の潜在的な用途が可能になります。 SF ₆から不純物ガスを除去するためのN単分子層断熱装置。分析によると、ZnO-C ₃ N単層は、絶縁強度を維持し、電力システムの安全な運用を確保するために使用する資格があります。

はじめに

ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、近年、新しいナノ材料をベースにしたセンサーの応用が増えています。ナノセンサーは、その迅速な応答、低消費、低コスト、および高感度のおかげで、医療、軍事、ガス検知、および環境モニタリングの分野で独占的に研究されてきました[1,2,3,4]。最も一般的に使用されているセンサーの1つである抵抗型センサーは、その単純な構造と動作メカニズムのために学者に好まれています。初期の段階では、グラフェンは、大きな比表面積、高いキャリア移動度、良好な熱伝導率など、物理的および化学的性能に優れているため、ガス検出において魅力的な材料です[5、6、7、8]。ただし、グラフェンはバンドギャップがゼロであるため、ガス認識のアプリケーションに制限があり[9、10]、CO、CO ₂などの一般的なガスの識別には不十分です。、CH ₄ 、N ₂ 、NO ₂ 、NH ₃ 、H ₂ 、およびH ₂ O [11]。その後、学者の共同の努力により、グラフェンと同じ特性を持ちながらバンドギャップがゼロでない多数の新しいナノ材料が、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）を含むがこれに限定されないガス検知の分野で出現しました[12、13、14 ]、金属炭化物および窒化物[15]、層状III-VI族半導体[16、17]、およびIII-V族窒化物[18,19,20]。

新しく出現したグラフェンのような材料の中で、C ₃ Nは、ヘキサアミノベンゼン三塩酸塩単結晶の直接熱分解または2,3-ジアミノフェナジンの重合によって合成され[21、22]、ガス吸着剤として大きな注目を集めています[23、24、25]。 C ₃ Nは本質的に、バンドギャップが0.39 eVの間接半導体であり、さまざまな直径の量子ドットを製造することで調整できます[22]。ミクロの外観では、C ₃ Nは、2つの窒素原子で置換された2×2のグラフェンスーパーセルと見なすことができ、6つの炭素原子と2つの窒素原子を持つ平面ハニカム格子を持っています。追加されたN原子の結果として、固有のC ₃ Nは、より強い化学活性とより高いキャリア移動度を示しますが、グラフェンと比較して同様の構造安定性を維持し、C ₃ N単分子層はガス検知の競争力のある候補です[26]。吸着能力に関して、研究者は固有のC ₃ Nは、NO ₂の検出において優れた選択性と感度を備えています[27]。およびSO ₂ 、他のガスの場合、明らかな吸着効果はありません。それにもかかわらず、研究により、C ₃の表面反応性が明らかになっています。 Nは、不純物粒子の修飾によって大きく促進される可能性があります。たとえば、PashangpourとPeyghan [28]は、内在的およびドープされたC ₃のCO吸着能力に関する比較実験を実施しました。 Nナノシート;彼らの結果は、Alドーパントが元のC ₃よりもはるかに強い結合相互作用をもたらすことができることを示しています。 N.その後、Zargham Bagheri [29]はSiをドープしたC ₃を理論的に研究しました。アセトンの吸着のNであり、C原子をSi原子に置き換えることにより、吸着エネルギーが-9.7から-67.4 kcal / molに増加し、C原子が置換されるにつれて感度が向上することがわかります。

金属酸化物は、ガス相互作用の化学反応性を高めるために表面改質で一般的に使用される代替手段です。金属酸化物半導体の1つとして、ZnOのバンドギャップは約3.37 eVで、励起結合エネルギーは約60 meV、化学的安定性、優れた光触媒特性、および一部の特定のガスに対する高い活性を備えています[30]。参考文献[31]によると、ZnOは、0次元（0D）、1次元（1D）、および2次元（2D）のナノ構造形態で成長でき、ナノクラスター、ナノワイヤー/ナノチューブ、およびナノシート/を含む各クラスの例があります。それぞれナノリボン。容易に制御できるサイズと形態の特性を考えると[32、33]、ZnOナノ粒子は、ナノ表面のセンシング性能を改善するためのドーパントとして機能する有望な材料です[34、35、36]。最近、数人の学者が、単一分子の金属酸化物ドーパントを使用してナノ材料の表面活性を改善することに関する理論的研究を提案しました。 E. Mohammadi-Manesh etal。 [37]は、H ₂へのCuおよびCuOで装飾されたグラフェンの吸着能力を調査しました。 Sは理論的には、H ₂の吸着後、修飾グラフェンの導電率が固有のグラフェンの導電率と比較して大幅に変化することを発見しました。 S.AsadiとVaezzadeh [38]は、H ₂を検出するためにBおよびCuOで装飾されたグラフェンシートを設計しました。密度汎関数理論（DFT）に基づくSとCO。これらの作業のシミュレーションはDFTによって実行され、その計算コードは、定義されたスーパーセルに基づいて原子または分子構造を定期的に拡張し、システム全体の物理的特性を計算します。この方法に基づいて、センサーとしての基板への原子または分子の吸着は、ナノ構造を研究するために使用されます。前述の報告は、単一金属酸化物分子のドーピングに関するこのトピックに関する関連するさらなる研究を実行するように私たちを刺激します。ここでは、C ₃をドープしましたガス検知に対するZnOの影響を調査するための簡略化として、ZnOナノ粒子の代わりにZnO分子を含むN。

SF ₆ は、ガス絶縁開閉装置（GIS）で広く使用されている媒体であり、優れた絶縁および消弧特性を備えています[39]。 GISの部分放電（PD）などの不可避の事故内部欠陥は、SF ₆を分解します。 SF ₄などの一部の低フッ化物硫化物、SF ₃ 、およびSF ₂ [40]。これらの副産物は、微量の水分や酸素とさらに反応し、H ₂などの安定した化学物質を生成します。 S、SO ₂ 、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ [41]。これらの副産物の絶縁信頼性は、SF ₆よりもはるかに低くなります。そしてそれらの存在は、放っておけばPDの進化を加速するでしょう。したがって、GISの安全な運用を保証するためには、これらのガスを検出または一掃することが不可欠です。この論文では、ドーパントとしてZnOを選択し、ZnOで修飾されたC ₃のモデルを構築しました。 N（ZnO-C ₃ N）典型的なSF ₆での吸着性能を研究するための単分子層分解された種（H ₂ S、SO ₂ 、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ ）理論的には。構造変化、電子移動挙動、バンド構造、および状態密度（DOS）を分析することにより、C ₃間の相互作用に対するZnOドーパントの影響 N表面とガス分子を包括的に研究した。私たちの仕事の目的は、ZnO-C ₃の詳細な吸着と検知メカニズムを提供することです。 SF ₆内の不純物ガスを検出または除去するための潜在的なアプリケーション用のN単分子層断熱装置。

計算の詳細

DFTに基づくすべての計算は、Dmol ³ で実行されました。パッケージ[42]。現実的なシステムの不均一な電子密度をよりよく説明するために、Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）関数内の一般化勾配近似（GGA [43]）と電子を処理するためのTSの分散補正を採用しました。交換相関項[44、45]。 DFTセミコア疑似ポット（DSSP）がコア処理のために誘導され、分極を伴う二重数値基底（DNP）が原子軌道基底関数系として選択されました[46]。 Monkhorst-パック k -6×6×1メッシュのポイントは、幾何学的最適化と電子構造計算の両方で定義されました[47]。幾何学的最適化におけるエネルギー収束許容誤差、最大力、および最大変位は、それぞれ1.0×10 ^-5 に設定されました。 Ha、0.002 Ha /Å、および0.005Å[48]。さらに、単分子層とその隣接する画像は、それらの間の相互作用を避けるために、15Åの真空間隔で分離されていました。

図1に示すように、C ₃の2×2×1スーパーセル N単分子層とガス分子は、ドーピングと吸着のプロセスの前に確立され、最適化されました。最適化された単分子層のC-N結合（1.422Å）は、C原子と比較してN原子の半径が大きいため、C-C結合（1.418Å）よりもわずかに長くなります。この研究で得られた格子定数は4.92Åであり、参考文献で報告された結果と同様です。 [25、49]。 Hirshfeld分析によって分子と単分子層の間の電荷移動を計算し、 Q を定義しました。 _T ガス分子の電荷変化を表します。ポジティブな Q _T ガス分子の電子放出挙動を示します。反対に、それはガス分子の電子受容挙動を示唆しています。

結果と考察

ZnOで修飾されたC ₃の分析 N単層

幾何学的最適化の後、ZnOはC ₃の表面に配置されました ZnO-C ₃の最も合理的な構成を探索するための、さまざまな方向と位置のN単分子層 N.図2aによると、ZnO粒子はC ₃に近づいています。垂直方向のN単分子層（O ₁ 、O ₂ ）および並列（O ₃ ）六角形構造の中心の位置での平面の方向（P _H1 、P _H2 ）、C-C結合とC-N結合の中間点（P _B1 、P _B2 ）、およびC原子の真上（P _C ）およびN原子。形成エネルギー（ E ）を定義しました _フォーム）ZnO-C ₃の安定性を評価する次のように計算されたN単分子層：

$$ {E} _ {\ mathrm {form}} ={E} _ {\ mathrm {ZnO} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _3 \ mathrm {N}}-{E} _ {\ mathrm {ZnO}}-{E} _ {{\ mathrm {C}} _3 \ mathrm {N}} $$（1）

ここで E _ZnO および\（{E} _ {{\ mathrm {C}} _3 \ mathrm {N}} \）は、ZnO分子とC ₃のエネルギーです。ドーピング前のN単分子層、および\（{E} _ {\ mathrm {ZnO}-{\ mathrm {C}} _3 \ mathrm {N}} \）はZnO-C ₃のエネルギーです。 N構造。拡張された原子構造で原子間の近距離の「結合」が発生すると、総エネルギーが減少し、負の E が発生します。 _フォーム [50]; E が最大の構造 _フォーム吸着とさらなる分析のために選択されます。

ZnO-C ₃のすべての構成 N個の単分子層が図S1、S2、S3に表示されています。これらの結果は、 E が大きい構造のほとんどが _フォーム O ₂にあります配向とZnO粒子はC ₃に近づくことを好みます O配向位置によるN表面であり、C原子によってトラップされます。さらに、 E 以降、この調査の各変更プロセスは自発的です。 _フォームは負であり、最大の E _フォーム ZnO粒子をS _Cに置くことによって得られます O ₂でオリエンテーション。図2bに見られるように、二原子分子はC ₃に結合しています。 40°の傾きのN。 Zn-O結合は1.733Åから2.182Åに伸長し、C-O結合は1.338Åと測定されます。 ZnOの影響下で、C ₃の表面 Nは平坦ではなくなりますが、ある程度の歪みが発生し、その間にO原子に最も近いC原子が表面から引き出されます。 ZnO-C ₃の電子的挙動の詳細については N単分子層、変形電荷密度（DCD）および状態密度（DOS）を図3に示します。図3aでは、赤い領域は電荷密度の増加に対応し、減少は青で表されています。 ZnO分子が吸着されると、C ₃から0.255eが抽出されます。 N単分子層とO原子の周りにはっきりとした赤い領域が見られます。 Zn原子は青い領域で囲まれていますが、O原子とZn原子の電気陰性度の違いを示しています。さらに、O原子とC原子の間の電荷密度の大幅な上昇は、図3cに示すように、O2p軌道の状態とC2p軌道の状態の間の強い混成によってもサポートできるC-O結合の形成を示唆しています。図3bのDOS曲線から、ZnOの導入が全身DOSの増加といくつかの新しいピークの出現につながることは明らかです。新たに出現した小さなピークは、約-2.5 eVのO原子によるものであり、-5.6eVにある最大のピークは明らかにZn3d軌道によるものであることがわかります。 DOSの変化と軌道間の混成により、ZnO粒子がC ₃の表面にしっかりと吸着していることが確認されました。 Nであり、システム全体の電子構造に大きな影響を及ぼしました。

ZnO-C ₃の吸着挙動 N単層

可能な吸着パラメータを完全に比較し、分析に最も望ましい構成を選択するために、各ガス分子をZnO-C ₃の表面の上に配置します。さまざまな方向のN単分子層。たとえば、三原子分子の場合、つまりH ₂ SおよびSO ₂ 、S原子を上向きまたは下向きにして、表面に平行または垂直な3つの原子で構成される平面を作成しました。吸着エネルギー（ E _広告）は、さまざまな吸着構造のエネルギー変化を表すために使用され、

として計算されます。 $$ {E} _ {\ mathrm {ads}} ={E} _ {\ mathrm {ZnO} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _3 \ mathrm {N} / \ mathrm {gas}}- {E} _ {\ mathrm {ZnO} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}}-{E} _ {\ mathrm {gas}} $$（2）

ここで E _ガスおよび\（{E} _ {\ mathrm {ZnO}-{\ mathrm {C}} _ 3 \ mathrm {N}} \）は、分離されたガス分子とZnO-C _{3 > 吸着前のN単分子層、\（{E} _ {\ mathrm {ZnO}-{\ mathrm {C}} _3 \ mathrm {N} / \ mathrm {gas}} \）は、ガスが吸着されたシステムのエネルギーを表します。各状況の極小総エネルギーが取得された後、最大の E を持つ構造のみ _広告図4に示すように、さらに議論するためにが選択されました。電荷移動メカニズムをよりよく理解するために、電子密度差（EDD）が図5に示されています。}

H ₂ S吸着システムを図4aに示します。ここで、H ₂ S分子は平行位置に吸着され、H ₂間の最も近い原子距離分子（H原子）とZnOドーパント（O原子）は2.042Åと測定されます。捕捉されたH原子のH-S結合は、孤立状態の1.357Åと比較して1.374Åに伸長しますが、他のH-Sは吸着プロセス中に変化しません。ジオメトリ構成のわずかな変形は、H ₂間の相互作用を示唆しています S分子とZnO-C ₃ N単分子層は弱い。 E と組み合わせる _広告（− 0.444 eV）および Q _T （− 0.077 e）、H ₂ S分子はZnO-C ₃に安定して付着できません N単層; ZnO-C ₃ N単分子層はH ₂の検出には適していません S. SO ₂の場合図4bに示す分子では、両方のO原子がそれぞれ2.020および2.031Åの距離でZn原子にトラップされています。 SO ₂の存在により、ZnO粒子は表面近くで曲がり、Zn-O-Cによって形成される角度は129°から118°に減少します。。同時に、Hirshfeld分析から、S原子は0.164 eの損失で電子供与体として機能し、O原子への吸着効果が弱まり、SO結合が1.481から1.619Åに拡張されることがわかります[ 51]。逆に、強化された原子間力は、ZnOのO原子の電子増加（0.292 e）により、Zn-O結合を2.182Åから1.869Åに短縮しました。幾何学的変化と電子移動は別として、 E _広告最大-1.222eVは、吸着プロセス中の強い相互作用のもう1つの証拠であり、ZnO-C ₃の潜在的な用途を示しています。 SO ₂の検出におけるN単分子層。 SOF ₂についておよびSO ₂ F ₂ 図4cおよびdに示す吸着システムでは、ターゲット分子の形態が劇的に変化していることがわかります。 SOF ₂のF原子 S-F結合の制約を取り除き、1.830Åの距離でZn原子に吸着します。 SO ₂では、さらに劇的な変化が見られます。 F ₂ ここで、両方のS-F結合が切断され、1.802および1.883Åの長さのZn-F結合が形成されました。 Zn-F結合の形成に加えて、SOF ₂の残りのSOFグループシステムはまた、Zn-O結合を介してZn原子によってトラップされます。ただし、SO ₂の場合 F ₂ システムでは、SO ₂ SO ₂の分解によって生成されたグループ F ₂ はキャプチャされませんが、Zn原子からの距離を保ち、そのS-O結合は孤立したSO ₂と同じように計算されます。長さで。ガス分子の顕著な変形は、大きな E に関連しています。 _広告 SOF ₂で− 1.683eVと計算されますシステムおよびSO ₂の-3.497eV F ₂ システム。これに基づいて、SOF ₂の吸着およびSO ₂ F ₂ ZnO-C ₃に Nは、このプロセスでの大量の電荷移動を伴う強い化学吸着として決定できます。これは、重要な電子軌道混成の存在の可能性を示しています。大きな E _広告および Q _T 、ZnO-C ₃ N単分子層はSO ₂へのより安定した吸着を提供できます、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ 表1にリストされているように、他のナノ材料よりも、ZnO-C ₃の吸着構成 N単分子層は、記載されているナノ材料よりも0.358–3.281 eVおよび0.038–0.811 e大きく、ガス検知に使用した場合のこの材料の吸着性能を保証しますが、これらのガス分子には難しいと推測されます（SO ₂ 、SOF ₂ およびSO ₂ F ₂ ）大きなE _広告の結果として強い相互作用力を取り除くため。したがって、センサー中毒による性能低下を防ぐために、高温アニーリングや紫外線照射などの対策を講じて、ZnO-C ₃の脱着性能を向上させる必要があります。 N単層。具体的な脱着性能分析は、「ガス検知性能評価」セクションで提供されます。

<図>

図5に示すEDDに関して、青色の部分は電子蓄積領域を示し、紫色の他の部分は電子空乏領域を示します。 H ₂の場合 Sシステムでは、H原子とO原子の間に小さな蓄積領域がありますが、ほとんどの蓄積領域と空乏領域はH ₂の周りにあります。 S分子、H ₂での小さな電荷移動と分子軌道の再分布を示唆 S分子。 SO ₂で吸着システムでは、S原子とZn原子を取り囲む明らかな空乏領域がありますが、蓄積領域は主にO原子の周囲とS原子の上に分布しています。この現象は、SO ₂の電子受容体の役割を確認します Q に準拠した分子 _T （− 0.426 e）ヒルシュフェルト分析から得られた。 SOF ₂でおよびSO ₂ F ₂ システムは、大規模な蓄積および空乏領域から判断すると、両方のシステムで顕著な電荷移動と電子混成があります。蓄積領域はターゲットガスの原子間に分布し、空乏領域は主にZn原子の周囲に局在し、Zn原子の明確な電子供与特性を反映しています。結果として、これらの電子的振る舞いは、ZnO-C ₃ N単分子層は、より説得力のあるガス分子への強い吸着を持っています。

ZnO-C ₃の電子特性ガス吸着のN単分子層

グラフェン-[56]、SWCNT- [57]、およびMoSe ₂で報告されているように -[58]ベースのガス検知研究では、DOSはガスとナノ構造の間の電子的挙動を調査する際のもう1つの重要なパラメータです。図6aから、H ₂の分子軌道の再分布がわかります。 Sは、図5aのEDDから導き出された結論と一致しています。 H1s軌道とO2p軌道の間の混成は、-4および-6 eV付近で利用可能ですが、程度は低く、弱い相互作用と新しいH-O結合を形成する可能性が小さいことを示しています。 SO ₂について図6cのシステムでは、反結合性軌道がフェルミ準位の近くにわずかに移動し、軌道の一部が分離から接続に変化し、SO ₂の電子構造の明らかな再分布を示します。分子。図6dの原子間の相互作用では、O 2p、Zn 4s、およびZn 3d軌道が、-6、-4、および-2eVなどの複数のエネルギーレベルで混成軌道になっていることがわかります。ハイブリダイゼーションは、O原子とZn原子の間の強い化学的相互作用を意味し、最適化された構造で計算されたZn-O結合の形成を効果的にサポートします。 SO ₂で FおよびSO ₂ F ₂ システムでは、構造の劇的な変形により、分子軌道が強力に活性化され、多くの新しく形成された軌道で再分配されます。 SOF ₂のF2pおよびO2p軌道は、− 8、− 7、および+ 3eVでZn4sおよび3d軌道と強くハイブリダイズします。 F原子とZn原子の間の混成は、-7、-5、および+ 3.5eV付近で識別できます。 Zn原子とトラップされたF、O原子の間の明らかなハイブリダイゼーションは、安定した化学結合、つまりZn-FおよびZn-O結合の形成の証拠であり、これはZnO-C <間の強い吸着効果の説明になります。 sub> 3 N単分子層と2つのガス。 H ₂を除く4つの吸着システムから得られた結果と組み合わせる S分子、他の3つの分子（SO ₂ 、SO ₂ F、およびSO ₂ F ₂ ）ZnO-C ₃にさらされると、しっかりと吸着されます。 N単層。この結論は、この物質が高電圧機器で潜在的なガス除去用途を持っていることを証明しています。

ガス検知性能評価

ガス検知を実現するには、吸着後抵抗型デバイスの導電率を適度に変化させる必要があります。特定のシステムの導電率は、次の式[59]に従って、そのバンドギャップに関連しています。

$$ \ sigma =A \ times {e} ^ {-{E} _g / 2 {k} _BT} $$（3）

ここで A は特定の定数、 k _B はボルツマン定数（8.62×10 ^-5 eV K ^-1 ）およびTは温度です。導電率とバンドギャップの間には反比例の関係が認められ、バンドギャップが広いほど、電子が禁制帯を通過するのが難しくなります。図7aは、ZnO-C ₃のバンドギャップを示しています。 N単分子層は0.168eVと非常に小さく、これは元のC ₃のバンドギャップの半分未満です。 N（0.39 eV）、半導体と間接バンドギャップの特性は同じままですが、伝導帯の下部（M）と価電子帯の上部（Γ）の位置が異なることから判断できます。吸着システムのバンドギャップに関しては、図7b–dにさまざまなバリエーションがあります。 H ₂で Sシステムでは、伝導帯の底部が下向きに動くため、バンドギャップは0.125eVに減少します。他のシステムでは、価電子帯の上部に現れる新しい不純物レベルがM点近くのフェルミ準位と一致し、これらのシステムのバンドギャップがゼロになります。これは、ZnO-C <の強力なp型ドーピングと見なすことができます。 sub> 3 N単層[43、60]。吸着された構造の半導体の性質は、ゼロバンドギャップの金属のような特性によってカバーされるかもしれませんが[61]、ゼロバンドギャップは導電率の目に見える強化を提供することができます。 ZnO-C ₃に基づくデバイスの応答性能を改善することは非常に重要です。 N単層。応答のさらなる分析を増幅するため（ R ）パフォーマンス。ここでは、次の式[62]に基づいて計算します。

$$ R =\ frac {\ left | \ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}}-\ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} \ right |} {\ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {pure}}}} =\ left | \ frac {\ sigma _ {\ mathrm {pure}}-{\ sigma} _ {\ mathrm {gas}}} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} \ right | $$（4）

ここで、σ _純粋およびσ _ガス ZnO-C ₃の導電率を表しますそれぞれ吸着前後のN系。計算によると、 R H ₂の場合 Sシステムと残りの3つのシステムは0.567と0.962です。つまり、ZnO-C ₃の表面に吸着が発生すると、導電率は56.7％と96.2％増加します。 N単層;この場合、これらのガスの存在を検出することが可能です。

回復時間（τ ）は、ガス検知に使用されるセンサーの特性を推定するためのもう1つの重要なパラメーターであり、吸着されたガス分子の除去に費やされた時間を示します。文献を確認することにより、τ ファントホッフのアレニウスの式[63]で計算できます：

$$ \ tau ={F} ^ {-1} {e} ^ {-{E} _ {\ mathrm {a}} / {k} _ {\ mathrm {B}} T} $$（5）

ここで F は試行頻度であり、10 ¹² として定義されます。 s ^-1 この研究では。 E _a は、 E の値と同じであると想定される脱着のエネルギー障壁です。 _広告ここでは、 k _B および T 式と同じように定義されます。（3）。式から（5）、 E のように、吸着ガスの脱着はより困難になります。 _広告大きくなりますが、作動温度を上げることで制御することもできます。

表2に、4つのガスがZnO-C ₃の表面から除去されるのに必要な回復時間を示します。 N単層。 H ₂の場合 S分子、小さな E _広告間違いなく、脱着の低エネルギー障壁を反映しているため、マイクロ秒単位の非常に短い回復時間が発生します。それまでの間、 E が大きいシステムの場合 _広告、脱着には数日かかるため、作動温度でガス分子を表面から分離することは不可能のようです。電気機器ではめったに発生しない498Kと598Kに達すると、脱着プロセスはSO ₂の分スケールに加速される可能性があります。およびSOF ₂ 、それぞれ。ガス分子間の非常に強い吸着（SO ₂ 、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ ）そして表面はZnO-C ₃の潜在的な用途を明らかにします SF ₆を除去するためのガススカベンジャーとしてのN単分子層分解種と電力システム内の良好な絶縁状態を維持します。さらに、実際の構造では、C ₃上に大量のZnOナノ結晶がある場合 N、効果が大幅に向上することが期待されます。さらに、元の構成と比較して、ZnO-C ₃から放出されるガスの活性 N単分子層は大きく損なわれ、分子構造の激しい変形のためにシステムにほとんど影響を与えることができません（SOF ₂ およびSO ₂ F ₂ ）。 H ₂に関して S、ZnO-C ₃の不安定な相互作用と非常に短い回復時間 H ₂に向かうN単分子層 Sは吸着密度が小さいと考えられるため、効果的な検出ができません。

<図>

結論

この論文では、ZnO修飾C ₃のモデル Nを確立し、C ₃の表面にZnO粒子を配置することで最適な構造を調べます。さまざまな方向と位置のN。したがって、ZnO-C ₃の吸着パラメータ 4つのSF ₆上のN単分子層分解種、すなわちH ₂ S、SO ₂ 、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ 、 E を分析して得られた _広告、DOS、 Q _T 、および吸着前後のバンド構造。 H ₂ S分子はナノ構造に安定して吸着することはほとんどできません。同時に、他のガスはZnO粒子に強く閉じ込められます。これらの結果から、ZnO-C ₃の吸着性能が確認されました。 N単分子層は、SO ₂を掃引するガススカベンジャーとしての潜在的な用途を可能にします。、SOF ₂ 、およびSO ₂ F ₂ 絶縁強度と電力システムの安全な操作を維持する高電圧機器から。さらに、フロンティア分子軌道理論は、ZnO-C ₃ N単分子層は、SF ₆の誘電状態を推定する可能性があります。上記のガスの吸着によって導電率が明らかに変化することを考えると、指標としての絶縁装置。