电场作用下P掺杂硅烯选择性吸附CH4的第一性原理计算

霍英菲， 黄珍霞， 王军凯， 王雪晴， 胡前库， 周爱国

(1.河南理工大学 材料科学与工程学院， 焦作 454003; 2. 河南理工大学 化学化工学院， 焦作 454003)

1 引 言

在如今煤矿生产过程中，甲烷(CH4)堆积造成的煤矿爆炸仍在全球范围内造成重大人员伤亡[1]. 开发低成本，高选择性的甲烷传感器以实时，连续地监测煤矿中的甲烷浓度至关重要. 目前已经开发出基于各种传感机制的甲烷传感器，例如金属氧化物型，催化燃烧型，非分散红外(NDIR)吸收光谱型[2-5]等. 金属氧化物方法基于在高温下与甲烷反应引起的金属氧化物(即氧化锡)的电导率变化[6]. 由于甲烷非常稳定，因此操作温度通常高于400 ℃，以实现正常的灵敏性[7,8]. 催化燃烧型甲烷传感器通过使用加热的催化元素(通常为钯)燃烧甲烷来运行[4]. 对甲烷的选择性是通过利用两种贵金属(如钯和铂)的不同催化活性来实现的[9]. 也可以通过测量近红外(IR)或中红外波段中甲烷的吸收光谱来检测甲烷. 中红外方法比近红外方法更灵敏，但需要大而昂贵的红外传感器冷却设备[2,10]. 甲烷的红外吸收也可以使用光声法检测. 在这种方法中，甲烷分子吸收特定波长的IR并将其转换为声音信号，然后通过麦克风或其他类型的振动传感器对其进行检测[11,12]. 即使光声甲烷传感器非常灵敏，但整个系统是复杂且昂贵的. 而基于气体分子吸附和脱附所引起的具体物理量相对变化的薄膜型气敏传感技术，使得快速响应和低成本的甲烷检测传感器……