化石燃料燃燒釋放的CO和CO2是主要的汙染氣體，可引起全球變暖，危害人體神經系統和心腦血管系統。 實時監測這些有害氣體尤為重要。 基於奈米材料的感測器設計有望成為可能。 在這項工作中，我們系統地研究了純Al摻雜C3B奈米片的吸附效能。
本文採用北京科技大學的陶璐琪和重慶科技大學的鄒思敏等人基於密度泛函理論進行計算。 模型和計算方法本文利用Materials Studio軟體包的Castep和DMOL3模組，系統研究了Co和CO2吸附的二維C3B和Al-C3B材料的電子結構、吸附特性和電荷特性。
在廣義梯度近似（GGA）下，基於PEB泛函計算了電子交換相關性，並用平面波超軟贗勢法描述了電子-離子相互作用。 PBE-D3用於處理分子與二維材料之間的弱相互作用。 吸附能的計算：eads=e-（esub+egas），其中esub+gas和esub分別表示體系中未吸附氣體分子的奈米片的總能量，egas表示氣體分子的總能量。
因此，EADS的負值對應於放熱吸附過程，該過程可以自發發生。 基於Hirshfeld電荷分析計算了電荷轉移（qt），並用以下公式評估了吸附過程中原子的活性：qt = qads-qiso，其中qads和qiso分別表示吸附氣體體系和氣體分子的總帶載荷。 qt 的正值表示電子從氣體分子轉移到奈米片。
結構與討論
首先，研究了Al摻雜體系的形成能; 公式如下：eform = edoped-c3b + c b ec3b - al，其中 edoped-c3b 和 ec3b 代表摻雜的 c3b 單層和原始 c3b 的總能量，它們是單層奈米片，它們是相應元素的化學勢。 吸熱形成的過程會產生正能量。
計算表明，在C3B中，al原子（6161 EV）在取代的情況下遠低於其他原子（13.）。527 EV），這意味著用Al原子取代C原子更加困難。從圖1B中的C3B和Al-C3B體系可以看出，兩者的未摻雜C3B和Al摻雜的C3B之間有直接的帶隙，導帶底部（CBM）和價帶頂部（VBM）位於T點。
然而，Al原子的摻雜導致VBM和CBM上出現兩種缺陷態，使Al-C3B的帶隙值從0變為0720 EV 降至 0286ev.進一步研究了Al摻雜C3B的電子結構，並計算了態密度（DoS）。 如圖2a所示，Al的摻雜導致態的總密度向左部分偏移。 還誘導了一些雜質狀態，在0左右出現新的峰14 EV面積， 156 ev, 6.39 EV 和 804 ev。
價帶頂部和底部的新峰表明摻雜的Al為附近的狀態貢獻了大量的費公尺能量。 圖2b顯示了摻雜的Al和C原子之間出現的幾個能級（例如，0.）14 ev、1.56 ev、6.39 ev、8.04 EV 和 1000 EV）軌道雜化，證明鋁可以與C原子形成穩定的化學鍵。因此，C3B奈米片在摻雜Al原子後表現出明顯的電子結構變化。
圖1（A）原始和Al摻雜的C3B奈米片及其對應的能帶結構的俯檢視（B）。
圖2（a） 原始和Al摻雜C3B奈米片的總能態密度和（b）原始和Al摻雜C3B奈米片的分裂波能態密度
將Co和Co2分子水平和垂直放置在具有不同吸附位點的C3B和Al摻雜C3B奈米片上進行結構優化，發現吸附結構最穩定。 最佳吸附位點的分析結果如圖3所示，表1列出了它們的吸附能、帶隙、它們與吸附後氣體之間的電荷轉移。 可以看出，對於原來的C3B，CO2和CO的吸附能僅為0171 EV 和 0107 ev。同時，兩者之間的距離並沒有相對太大的變化。 到初始狀態。
此外，與氣相CO2的比鍵長為1177 鍵角為1801的氣體，CO2 無明顯結構變化，鍵長為 1178，鍵角為 179，在 C3B CO2 中921系統。 類似的現象也存在於 C3B Co 體系中，其中 Co 的鍵長保持在 1146 沒有明顯的結構變化。 因此，可以得出結論，未摻雜的C3B與CO2 CO之間的范德華力太弱，無法達到捕獲CO2 CO的目的。 當CO2和CO氣體垂直吸附時，Al-C3B的吸附能為0590 EV，CO 氣體為 0401 EV，即 245 對 274次。
轉移費用的能力也呈指數級增長，達到 514次。 CO2 Al-C3B 和 CO Al-C3B 中 CO2 和 CO 的結構也發生了變化。 二氧化碳中的兩個碳氧鍵不再對稱，它們的鍵長變為 1190（靠近 AL 側）和 1165（遠離側面），鍵角為 178091。鍵長 cos 從 1146 A 增加到 1151 a。這些都證明了Al摻雜的C3B具有很強的Co2 Co捕獲能力。 吸附增加的機理、能量和電荷的轉移以及結構變化都可以基於路易斯酸鹼模型進行解釋和理論解釋。 如前所述，由於Al原子的摻雜而導致的大量電子不足，使其被認為是路易斯酸的位置，路易斯酸與路易斯鹼相互作用。
圖3（a） 原始和Al摻雜C3B奈米片的總能態密度和（b）原始和Al摻雜C3B奈米片的分裂波能態密度
分析態密度 （DOS） 有助於了解氣體分子與 Al-C3B 相互作用的表面性質。 從圖4可以看出，CO2吸附後，分裂態密度TDOS略微向右移動。 對於CO2吸附系統，新的峰值為，CO的吸附容量為124 EV 和 01 EV 之間的系統出現了 96 的新峰值16 ev、1.71 EV 和 095 ev。這些新峰的出現是由於軌道雜化的發生、氣體分子的活化態和鋁原子之間的關係。
此外，這些活化態出現在相互作用的氣體分子和摻雜的鋁之間，這也導致了價帶和導電帶的底部和頂部的畸變。 這表明氣體分子的吸附影響Al-C3B的電子結構，並且分裂波態密度（PDOS）對CO2吸附體系的影響顯著14 EV 和 697 ev。
強軌道雜化也是 Co 的 Pdos 與 174 ev、5.07 EV 和 971 ev。這些結果表明，軌道CoCO2與Al摻雜體系之間存在良好的相互作用，導致氣體與Al-C3B之間存在較大的電荷轉移。 這些強軌道雜化進一步證明了Al-C3B對CO2 CO氣體的穩定吸附。
圖4狀態總能量密度 （A1） 吸附CO2 （B1） 吸附Co;波長、態能量密度 （A2） CO2 吸附 （B2） CO 吸附
Al-C3B兩種氣體吸附系統的ELF圖如圖5所示。 從圖中可以清楚地看出，在Al-C3b中，CO2和CO之間沒有電子共享，這意味著氣體和奈米片之間沒有化學鍵形成。 因此，CO2在Al-C3B上的吸附不如化學吸附穩定，化學吸附允許Al-C3B通過特定的物理解吸途徑（如熱脫附）釋放CO2和CO。 這意味著基於AL-C3B的氣體感測器具有更高的重複使用潛力。
結論與展望
本文利用密度泛函理論（DFT）計算了C3B和Al摻雜的C3B奈米片對Co和CO2氣體的吸附。 通過對比計算得到的吸附能、電子轉移和態密度，發現Al的摻雜顯著提高了CO2或CO氣體的檢測能力。 Al摻雜後，Co和Co2的吸附容量分別提高了2.，74 次和 245次。 CO2 Co吸附效能的顯著改善是由於路易斯鹼和路易斯酸之間的相互作用。
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