基于低维纳米材料气体传感器的理论设计研究

本书是关于低维纳米材料（包括典型团簇、纳米线和二维单层）在气体监测、检测领域中研究和应用的成果。本书首先介绍了气体传感器的研究背景以及所用的理论基础及方法，然后分别针对不同维度的纳米材料的气敏性能展开论述，包括B40和M@B40（M=Li和Ba）富勒烯、氢化Si12Au20团簇、基于Zn12O12团簇组装纳米线、基于二十面体W@Au12团簇的组装超细纳米线、具有不同结构的二维GaN单层以及两种组分不同的碳-氮二维单层的气敏性能研究。本书内容充实，数据详实，分析深入，对更好地开发基于低维纳米材料的新型气体传感器具有较好的指导和帮助作用。

本书是作者近几年在多个科研项目研究的基础上提炼撰写而成的， 是关于低维纳米材料（包括典型团簇、纳米线和二维单层） 在气体监测、检测领域中研究和应用的成果。其核心内容是面向危害气体监测和检测的基于低维纳米材料气体传感器的气敏性能的理论研究。本书首先介绍了气体传感器的研究背景以及所用的理论基础及方法， 然后分别针对不同维度的纳米材料的气敏性能展开论述，包括B40和M@B40（M=Li和Ba） 富勒烯、氢化Si12 Au20 团簇、基于Zn12O12 团簇组装纳米线、基于二十面体W@Au12团簇的组装超细纳米线、具有不同结构的二维GaN 单层以及两种组分不同的碳-氮二维单层的气敏性能研究。本书内容充实，数据翔实，分析深入，对更好地开发基于低维纳米材料的新型气体传感器具有较好的指导和帮助作用，可供团簇科学、新材料和纳米材料、气敏材料及气体传感器等领域的研究人员、技术人员阅读参考，也可作为大专院校相关专业师生的参考书。

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第1章  绪论　/ 001
1.1　气体传感器 / 003
1.2　纳米材料 / 006
1.3　计算方法简介 / 009
1.3.1 第一性原理计算 / 009
1.3.2 密度泛函理论 / 011
1.3.3 交换关联能量泛函 / 012
1.3.4 Materials Studio程序包简介 / 014
参考文献 / 014

第2章  B40和M@B40（M=Li和Ba）富勒烯：检测丙酮的潜在分子传感器　/ 017
2.1　概述 / 019
2.2　计算方法 / 020
2.3　结果与讨论 / 021
2.3.1 丙酮在纯B40富勒烯上的吸附作用 / 021
2.3.2 丙酮在M@B40 (M=Li和Ba)金属硼富勒烯上的吸附情况 / 027
参考文献 / 033

第3章  氢化Si12Au20团簇：检测NH3和NO的高性能分子传感器　/ 039
3.1　概述 / 041
3.2　计算方法 / 043
3.3　结果与讨论 / 044
3.3.1 分子在纯Si12Au20团簇上的吸附 / 044
3.3.2 Si12Au20团簇作为检测NO和NH3 的气体传感器的可能性 / 051
3.3.3 H12Si12Au20团簇的结构和稳定性 / 053
3.3.4 HSA作为NH3和NO检测传感器的应用 / 056
参考文献 / 064

第4章  Zn12O12团簇组装纳米线：具有高灵敏度和选择性的NO和NO2气体传感器　/ 071
4.1　概述 / 073
4.2　计算方法 / 075
4.3　结果与讨论 / 076
4.3.1 基于Zn12O12团簇组装的纳米线 / 076
4.3.2 分子的吸附特性 / 080
4.3.3 Zn12O12基纳米线作为气体传感器的可能性 / 086
参考文献 / 089

第5章  基于W@Au12团簇的超细纳米线：高性能NO气体传感器　/ 097
5.1　概述 / 099
5.2　计算方法 / 101
5.3　结果与讨论 / 102
5.3.1 W@Au12 基纳米线的结构和电子性能 / 102
5.3.2 分子在W@Au12基纳米线上的吸附 / 106
参考文献 / 113

第6章  类石墨烯GaN二维单层的气敏性能研究　/ 119
6.1　概述 / 121
6.2　计算方法 / 123
6.3　结果与讨论 / 123
6.3.1 PL-GaN二维单层的构型和稳定性 / 123
6.3.2 气体分子在PL-GaN二维单层上的吸附作用 / 124
6.3.3 PL-GaN作为气体传感器的可能性 / 130
参考文献 / 134

第7章  四角型GaN单层：检测NO和NO2的潜在气体传感器　/ 139
7.1　概述 / 141
7.2　计算方法及模型 / 142
7.3　结果与讨论 / 143
7.3.1 纯T-GaN的结构和电子性质 / 143
7.3.2 T-GaN对NO2、NH3和NO的吸附作用 / 144
7.3.3 T-GaN作为气体传感器的可行性 / 149
参考文献 / 152

第8章  C2N单层：检测NH3和NO的气体传感器　/ 157
8.1　概述 / 159
8.2　计算方法及模型 / 161
8.3　结果与讨论 / 162
8.3.1 C2N单层的分子吸附特性 / 162
8.3.2 C2N单层的气敏性能分析 / 169
参考文献 / 171

第9章  C3N单层的气敏性能研究　/ 177
9.1　概述 / 179
9.2　计算方法 / 180
9.3　结果与讨论 / 181
9.3.1 C3N单层的吸附特性和电子性质 / 181
9.3.2 C3N单层的气敏性能 / 186
参考文献 / 189

随着国家工业能力的快速提升和人们生活水平的不断提高,人们接触或使用的气体原料和气体产物种类越来越多,由其带来各种生产和生活便利的同时,也造成许多安全隐患。例如石油化工、采矿冶炼、工业生产、生活垃圾处理、装饰装修等常常伴随着各种有毒有害气体的产生,稍有不慎就会危害到人类健康与安全。故而,用来探测、检测气体的气体传感器愈来愈受到人们的重视。我国相关部门出台的“十四五规划” 《中国制造2025》《中国传感器(技术、产业)发展蓝皮书》等多项战略性、指导性文件中均明确提出发展新型气体传感器,即开发成本和能耗更低、体积更小,并且具有更高灵敏度、优异选择性和高稳定性的气体传感器。气体传感器的核心是气敏材料,发展和设计新型气体传感器,其核心在于开发具有高灵敏度、优异选择性、高稳定性及较快响应-恢复时间的气敏材料。
低维纳米材料是由很多原子或分子构成,结晶粒度为纳米级(1～100nm)的一种具有全新结构的材料,即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级,包括纳米微粒和团簇(零维材料),直径为纳米量级的纤维、管、线(一维材料),厚度为纳米量级的薄膜与多层膜(二维材料),以及基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体。纳米材料的尺度处于原子、分子和宏观物体交界的过渡域,是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质,它有着不同于传统固体材料的显著的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,并且表现出奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性。尤其是,低维纳米材料由于具有较大的表面积、较多的表面活性位以及较高的稳定性和机械可塑性等优点,使其在气体传感器领域具有较大的应用潜能。
本书共包括九章。第1章简要介绍气体传感器的研究背景以及所用的理论基础及方法,后续八章分别针对不同维度的纳米材料的气敏性能展开论述。第2章介绍B40 和M@B40 (M=Li和Ba)富勒烯作为检测丙酮的气体传感器,第3章介绍氢化Si12Au20 团簇作为检测NH3 和NO 的高性能分子传感器,第4章介绍基于Zn12O12 团簇组装纳米线作为检测NO 和NO2 的具有高灵敏度和选择性的气体传感器,第5章介绍基于二十面体W@Au12 团簇的组装超细纳米线的设计及作为NO 气体传感器的应用,第6章和第7章分别介绍了两种具有不同结构的二维GaN 单层在气体传感器方面的应用,第8章和第9章给出了两种组分不同的碳-氮二维单层的气敏性能研究。
本书的内容主要是基于作者近年来对低维纳米材料(包括团簇、纳米线和二维单层)的气敏性能研究的基础上撰写的,同时吸收了国内外相关的研究成果。相关文献已在每章后列出,在此对相关学者表示衷心感谢。本书的相关研究和分析工作得到了河南科技大学的大力支持,本书的出版得到了国家自然科学基金(编号:61774056)、河南科技大学博士科研启动基金和河南科技大学校青年学术带头人基金的资助,在此深表感谢。
本书第1～4章由雍永亮负责编写,第5～9章由李晓蕊负责编写,全书由雍永亮统稿。
由于作者水平有限,书中难免存在不足和疏漏之处,希望广大读者、专家学者批评指正。

雍永亮