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Two-Dimensional th-BCP Monolayer as a Superior Sensor for Detecting Toxic Gases: A First-Principles Study

吸附 分子 单层 各向异性 带隙 热稳定性 化学物理 材料科学 纳米技术 化学 物理化学 有机化学 光学 物理 光电子学
作者
Ming Li,Xue‐Feng Wang
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (9): 6440-6449
标识
DOI:10.1021/acsaelm.4c00929
摘要

A two-dimensional tetrahexagonal material BCP monolayer (th-BCP) is designed by applying the Stone–Wales transform to its two-dimensional pentagonal BCP material (penta-BCP). The structural stability and gas adsorption capabilities of the th-BCP are systematically studied using first-principles calculations. The th-BCP monolayer exhibits a direct band gap of 0.806 eV, and its robust structural and thermal stability are verified via phonon spectroscopy and molecular dynamics simulations. The in-plane Young's modulus and Poisson's ratio of th-BCP well indicate that its structure has strong mechanical anisotropy. Then, we investigated the adsorption behavior of eight toxic gas molecules (CO, CO2, NO, NO2, NH3, CH4, SO2, and H2S) on the th-BCP monolayer. Among them, the adsorption energies of NH3 and NO molecules are higher, which are −1.343 and −1.338 eV, respectively. The adsorption energies of NO, CO, H2S, and SO2 molecules are comparatively moderate, ranging from −0.842 to −0.604 eV. Meanwhile, the band gap of the th-BCP with the adsorption of NO and NO2 gas molecules on the surface is obviously changed to 0.396 and 0.151 eV, respectively, resulting in its high sensitivity to these two gas molecules. In addition, the calculation of recovery time for various gas molecules on the surface of the th-BCP reveals its suitability for different gas types across a wide range of temperatures, indicating that the th-BCP should be a gas-sensitive material.
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