化石燃料燃烧释放的CO和CO2是主要的污染气体，可引起全球变暖，危害人体神经系统和心脑血管系统。 实时监测这些有害气体尤为重要。 基于纳米材料的传感器设计有望成为可能。 在这项工作中，我们系统地研究了纯Al掺杂C3B纳米片的吸附性能。
本文采用北京科技大学的陶璐琪和重庆科技大学的邹思敏等人基于密度泛函理论进行计算。 模型和计算方法本文利用Materials Studio软件包的Castep和DMOL3模块，系统研究了Co和CO2吸附的二维C3B和Al-C3B材料的电子结构、吸附特性和电荷特性。
在广义梯度近似（GGA）下，基于PEB泛函计算了电子交换相关性，并用平面波超软赝势法描述了电子-离子相互作用。 PBE-D3用于处理分子与二维材料之间的弱相互作用。 吸附能的计算：eads=e-（esub+egas），其中esub+gas和esub分别表示体系中未吸附气体分子的纳米片的总能量，egas表示气体分子的总能量。
因此，EADS的负值对应于放热吸附过程，该过程可以自发发生。 基于Hirshfeld电荷分析计算了电荷转移（qt），并用以下公式评估了吸附过程中原子的活性：qt = qads-qiso，其中qads和qiso分别表示吸附气体体系和气体分子的总带载荷。 qt 的正值表示电子从气体分子转移到纳米片。
结构与讨论
首先，研究了Al掺杂体系的形成能; 公式如下：eform = edoped-c3b + c b ec3b - al，其中 edoped-c3b 和 ec3b 代表掺杂的 c3b 单层和原始 c3b 的总能量，它们是单层纳米片，它们是相应元素的化学势。 吸热形成的过程会产生正能量。
计算表明，在C3B中，al原子（6161 EV）在取代的情况下远低于其他原子（13.）。527 EV），这意味着用Al原子取代C原子更加困难。从图1B中的C3B和Al-C3B体系可以看出，两者的未掺杂C3B和Al掺杂的C3B之间有直接的带隙，导带底部（CBM）和价带顶部（VBM）位于T点。
然而，Al原子的掺杂导致VBM和CBM上出现两种缺陷态，使Al-C3B的带隙值从0变为0720 EV 降至 0286ev.进一步研究了Al掺杂C3B的电子结构，并计算了态密度（DoS）。 如图2a所示，Al的掺杂导致态的总密度向左部分偏移。 还诱导了一些杂质状态，在0左右出现新的峰14 EV面积， 156 ev, 6.39 EV 和 804 ev。
价带顶部和底部的新峰表明掺杂的Al为附近的状态贡献了大量的费米能量。 图2b显示了掺杂的Al和C原子之间出现的几个能级（例如，0.）14 ev、1.56 ev、6.39 ev、8.04 EV 和 1000 EV）轨道杂化，证明铝可以与C原子形成稳定的化学键。因此，C3B纳米片在掺杂Al原子后表现出明显的电子结构变化。
图1（A）原始和Al掺杂的C3B纳米片及其对应的能带结构的俯视图（B）。
图2（a） 原始和Al掺杂C3B纳米片的总能态密度和（b）原始和Al掺杂C3B纳米片的分裂波能态密度
将Co和Co2分子水平和垂直放置在具有不同吸附位点的C3B和Al掺杂C3B纳米片上进行结构优化，发现吸附结构最稳定。 最佳吸附位点的分析结果如图3所示，表1列出了它们的吸附能、带隙、它们与吸附后气体之间的电荷转移。 可以看出，对于原来的C3B，CO2和CO的吸附能仅为0171 EV 和 0107 ev。同时，两者之间的距离并没有相对太大的变化。 到初始状态。
此外，与气相CO2的比键长为1177 键角为1801的气体，CO2 无明显结构变化，键长为 1178，键角为 179，在 C3B CO2 中921系统。 类似的现象也存在于 C3B Co 体系中，其中 Co 的键长保持在 1146 没有明显的结构变化。 因此，可以得出结论，未掺杂的C3B与CO2 CO之间的范德华力太弱，无法达到捕获CO2 CO的目的。 当CO2和CO气体垂直吸附时，Al-C3B的吸附能为0590 EV，CO 气体为 0401 EV，即 245 对 274次。
转移费用的能力也呈指数级增长，达到 514次。 CO2 Al-C3B 和 CO Al-C3B 中 CO2 和 CO 的结构也发生了变化。 二氧化碳中的两个碳氧键不再对称，它们的键长变为 1190（靠近 AL 侧）和 1165（远离侧面），键角为 178091。键长 cos 从 1146 A 增加到 1151 a。这些都证明了Al掺杂的C3B具有很强的Co2 Co捕获能力。 吸附增加的机理、能量和电荷的转移以及结构变化都可以基于路易斯酸碱模型进行解释和理论解释。 如前所述，由于Al原子的掺杂而导致的大量电子不足，使其被认为是路易斯酸的位置，路易斯酸与路易斯碱相互作用。
图3（a） 原始和Al掺杂C3B纳米片的总能态密度和（b）原始和Al掺杂C3B纳米片的分裂波能态密度
分析态密度 （DOS） 有助于了解气体分子与 Al-C3B 相互作用的表面性质。 从图4可以看出，CO2吸附后，分裂态密度TDOS略微向右移动。 对于CO2吸附系统，新的峰值为，CO的吸附容量为124 EV 和 01 EV 之间的系统出现了 96 的新峰值16 ev、1.71 EV 和 095 ev。这些新峰的出现是由于轨道杂化的发生、气体分子的活化态和铝原子之间的关系。
此外，这些活化态出现在相互作用的气体分子和掺杂的铝之间，这也导致了价带和导电带的底部和顶部的畸变。 这表明气体分子的吸附影响Al-C3B的电子结构，并且分裂波态密度（PDOS）对CO2吸附体系的影响显著14 EV 和 697 ev。
强轨道杂化也是 Co 的 Pdos 与 174 ev、5.07 EV 和 971 ev。这些结果表明，轨道CoCO2与Al掺杂体系之间存在良好的相互作用，导致气体与Al-C3B之间存在较大的电荷转移。 这些强轨道杂化进一步证明了Al-C3B对CO2 CO气体的稳定吸附。
图4状态总能量密度 （A1） 吸附CO2 （B1） 吸附Co;波长、态能量密度 （A2） CO2 吸附 （B2） CO 吸附
Al-C3B两种气体吸附系统的ELF图如图5所示。 从图中可以清楚地看出，在Al-C3b中，CO2和CO之间没有电子共享，这意味着气体和纳米片之间没有化学键形成。 因此，CO2在Al-C3B上的吸附不如化学吸附稳定，化学吸附允许Al-C3B通过特定的物理解吸途径（如热脱附）释放CO2和CO。 这意味着基于AL-C3B的气体传感器具有更高的重复使用潜力。
结论与展望
本文利用密度泛函理论（DFT）计算了C3B和Al掺杂的C3B纳米片对Co和CO2气体的吸附。 通过对比计算得到的吸附能、电子转移和态密度，发现Al的掺杂显著提高了CO2或CO气体的检测能力。 Al掺杂后，Co和Co2的吸附容量分别提高了2.，74 次和 245次。 CO2 Co吸附性能的显着改善是由于路易斯碱和路易斯酸之间的相互作用。
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