WO3不同活性面H2吸附传感机理研究

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作为未来燃料和能量载体的最有吸引力的候选之一,氢气(H2)是一种危险的气体。这主要是由于其具有宽的爆炸范围4%-74.2%及高爆炸和高泄漏的可能性。此外,又因其无色无味的固有属性从而使其危险加倍。因此在其生产,储存,运输和使用期间,需要对氢气实现快速和准确的检测。近年来,随着人们危险意识的提高,氢气传感器的研究发展也日益增多。本工作基于密度泛函理论方法对危险气体H2在六方相三氧化钨(h-WO3)(001)(110)(010)三个表面上的气敏机理进行了深入研究。第一章节介绍了关于氢气传感器的研究现状,研究的必要性及常用氢气传感器的分类,原理简述及未来的发展方向。第二章节对所采用的理论计算方法进行了简单介绍,主要包含第一原理的主要计算方法,密度泛函理论基础,量子理论等。第三章密度泛函理论研究了H2在h-WO3(001)表面的气敏机理。根据氧浓度由大到小的顺序我们研究了四个面,分别为O-终止的(001)表面,氧预吸附的WO-终止的(001)表面,WO-终止的(001)表面及含氧空位的WO-终止的(001)表面。研究发现在氧浓度较高的O-终止的(001)表面及氧预吸附的WO-终止的(001)表面,H2可与材料表面的单配位氧位(O1c)及二配位氧位(O2c)分别氧化为H2O和OH,发生化学吸附分别伴随着0.639e,0.474e电子转移到材料表面降低材料表面的电阻。也就表明表面氧有助于h-WO3基传感器材料对于H2的检测。第四章节应用DFT研究了H2在高活性的h-WO3(110)表面的气体传感机理。同样也是根据氧浓度的关系考虑了四个面且在四个面都发生化学吸附,并伴随着0.633e的高电荷转移从而实现对H2的有效检测。总体上来说,暴露高活性面是提高材料的传感能力的有效方法之一。第五章运用密度泛函理论研究了h-WO3(010)表面对H2的气敏机理。四个面基本都能实现有效的的传感,在整个(010)表面上电荷转移量相比较(001)和(110)表面来说明显增大,但是生成的能垒较大,意味着反应的发生可能有一定的局限性。必须借助外界条件的帮助才能发生。
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