《Inorganic Chemistry Communications》：Application of metallic Si2BC monolayer as a promising sensor material for stationary source exhaust gases
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卡马尔·阿布哈桑|卡梅尔·A·萨利赫|赛义德·瓦希杜拉·戈里|普拉迪普·库马尔·辛格|纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格|A.M.A.穆罕默德|胡塞因·伊马诺夫|拉齐兹琼·马哈茂多夫|萨奥达特洪·伊布拉吉莫娃|埃尔金·沃基多夫|易卜拉欣·马哈里克约旦大学药学院药剂学与制药技术系，约旦
卡马尔·阿布哈桑|卡梅尔·A·萨利赫|赛义德·瓦希杜拉·戈里|普拉迪普·库马尔·辛格|纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格|A.M.A.穆罕默德|胡塞因·伊马诺夫|拉齐兹琼·马哈茂多夫|萨奥达特洪·伊布拉吉莫娃|埃尔金·沃基多夫|易卜拉欣·马哈里克
约旦大学药学院药剂学与制药技术系，约旦安曼11942
摘要
工业设施排放物，尤其是废物焚烧装置产生的排放物，正日益威胁环境安全与公众健康。在各类有害气体中，甲醛、一氧化氮和硫化氢因其普遍存在且具有毒性而尤为重要。然而，开发出既能具备高选择性、强灵敏度又能快速恢复的传感材料仍是一项重大挑战。近期，由于硅硼碳单层材料具有可调控的电子特性以及较高的表面积与体积比，其在气体传感领域受到了关注。本研究运用密度泛函理论对一氧化氮、甲醛和硫化氢在硅硼碳表面的吸附行为进行了系统研究。结果表明，一氧化氮与硅硼碳单层的相互作用远强于甲醛和硫化氢，后两者的物理吸附作用较弱，吸附能低于-0.15电子伏特。这种强烈的相互作用导致电子特性发生显著变化，一氧化氮吸附后功函数从5.321电子伏特降至4.592电子伏特。此外，该体系在高温条件下具有0.17秒的快速恢复时间，表明其具有良好的可逆性。重要的是，该传感材料在潮湿环境及氮气环境中仍能保持稳定的性能。总体而言，这些研究结果表明，硅硼碳单层材料有望成为在实际工况下实现高效、灵敏且快速检测一氧化氮的气体传感器候选材料。
引言
随着全球工业发展的不断加速，包括废物焚烧厂和化学制造设施在内的固定装置所排放的污染物，对生态系统和人类健康构成了越来越大的威胁。在各类污染物中，甲醛、硫化氢和一氧化氮因其广泛存在且具有危害性而备受关注[1]、[2]。这些污染物严重影响了空气质量，其暴露会导致急性毒性、致癌效应以及呼吸系统疾病。传统的分析方法，如化学吸收法以及气相色谱法和质谱法，虽然准确度很高，但由于依赖昂贵的仪器和复杂的操作流程，难以用于实时、大规模的分布式监测。目前，由于金属氧化物基传感材料如二氧化钛和二价/三价铁氧化物具有极高的灵敏度且制备成本低廉，因此被广泛应用于气体检测领域[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。不过，这类材料通常需要较高的工作温度才能发挥最佳性能，这限制了它们的实际应用[8]。在高温条件下实现可逆的有毒气体检测，同时保持高选择性、优异的灵敏度以及抗潮湿性，仍是一项重大的技术挑战[9]、[10]、[11]。因此，环境科学、传感技术以及材料研究领域都在致力于开发能够在高温条件下实现稳定、高灵敏度且高效检测污染物的气体传感器[12]、[13]、[14]。
近年来，二维材料因其独特的物理特性以及较高的表面积与体积比，成为传感应用领域的热门替代材料。这些特性使得它们能够在检测污染物、推动环境修复以及捕获有害分子方面发挥重要作用[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。在这方面，人们对二维材料产生了极大兴趣，因为它们能够提供大量暴露的活性原子中心[20]、[21]、[22]，从而有效增加反应位点数量[23]。然而，诸如硅烯和石墨烯之类的元素基二维材料存在一些缺陷，比如对钾离子的亲和力较弱，且电荷存储能力相对较低[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。相比之下，由多种元素组成的二维材料则具有更好的电化学性能以及更高的结构多样性[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。硅硼氮、硼碳三元化合物以及硅碳三元化合物等单层材料在金属离子电池体系中展现了出色的性能。由于原子间电荷重分布以及竞争性键合效应，这些材料具有极性，这使得其电子特性可以被精确调控，从而更适合作为对性能要求极高的传感材料。此外，硼、硅和碳具备形成稳定三配位二维网络的能力，这一特性被巧妙地应用于钾离子电池负极材料的研发与优化中。通过合理调整化学成分并结合基于群体智能的结构探索技术，硅硼碳单层材料被认定为一种具有优异性能的候选材料。值得注意的是，这种单层材料不仅具有金属特性，还具备出色的结构稳定性[34]、[35]、[36]。尽管已有许多传感材料被提出用于检测一氧化氮、甲醛和硫化氢等有毒气体，但大多数材料仍存在一些重要缺陷。在很多情况下，气体分子与传感表面的相互作用要么过弱，导致灵敏度低，要么过强，使得分子难以解吸，进而降低传感器的重复使用性能。另一个常见问题是缺乏选择性，尤其是在存在多种气体时。此外，一些已报道的材料在潮湿环境或惰性气氛等实际条件下的性能不佳，也无法同时实现快速响应和快速恢复，而这正是实时气体传感应用所必需的。这些缺陷都表明，我们需要开发出能在灵敏度、选择性、稳定性以及恢复性能之间取得更好平衡的新材料。
为了评估三种不同气体——甲醛、一氧化氮和硫化氢与硅硼碳单层材料的相互作用，本研究对其进行了全面分析，旨在确定该材料是否适合用于传感应用。研究人员对吸附能、电荷重分布机制以及电子结构变化等关键因素进行了详细的理论分析。此外，还对功函数变化、电响应灵敏度以及恢复特性等与传感相关的实际指标进行了深入研究。本研究的一个重要成果是发现了硅硼碳表面所具有的优异传感性能。实验结果表明，这种特定的表面结构对一氧化氮的吸附作用明显强于对甲醛和硫化氢的吸附作用，这充分体现了它作为目标气体检测用选择性材料的巨大潜力。
章节节选
计算细节
本研究采用了基于密度泛函理论的第一次原理DFT计算方法，包括电子结构计算和几何结构优化，相关计算是在GAMESS软件包中完成的[37]。交换-相关相互作用是通过Perdew–Burke–Ernzerhof函数结合广义梯度近似方法来描述的[38]。为准确描述范德华相互作用，还采用了Tkatchenko提出的多体色散修正方法
硅硼碳单层材料的电子结构特征
预测结果显示，硅硼碳单层材料呈现出正交结构，具有平面蜂窝状排列，空间群为Cmmm（见图1a）。在结构完全松弛后，其晶格参数分别为a=6.55埃，b=6.60埃，c=20.02埃。该结构由三种类型的六元环组成，分别是Si?B?C?、Si?B?和Si?C?。另一种描述方式是，该结构由由Si－C－Si－B单元构成的锯齿形链交错堆叠而成。这些键长为
结论
本研究通过密度泛函理论计算，全面分析了三种有毒工业气体——一氧化氮、甲醛和硫化氢在两种典型的硅硼碳单层结构上的吸附特性。此外，还系统研究了氮气环境以及潮湿条件对一氧化氮吸附行为的影响，以及由此带来的硅硼碳单层材料的传感性能变化。实验结果表明，甲醛和硫化氢在该材料表面的物理吸附作用较为微弱
CRediT作者贡献说明
卡马尔·阿布哈桑：撰写原始稿件、数据可视化、软件应用、数据整理、概念构思。卡梅尔·A·萨利赫：研究方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。赛义德·瓦希杜拉·戈里：研究方法设计、定量分析、数据整理、概念构思。普拉迪普·库马尔·辛格：撰写原始稿件、数据可视化、结果验证、软件应用。纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格：撰写审稿与编辑工作、数据可视化、项目监督、实验研究、数据整理、概念构思。A.M.A.
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯卡利德国王大学科学研究处通过研究小组计划为这项研究提供的资助，资助编号为：RGP2/221/46。
纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格是马来西亚INTI国际大学的副教授。他于2016年从佩特罗纳斯科技大学获得电气与电子工程博士学位，研究方向为容错计算中的概率方法。目前，他担任INTI国际大学数据科学与信息技术学院的院长。他还担任多家期刊的编委会成员
