【摘 要】
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丙酮是一种挥发性有机化合物,能够对人体的呼吸系统造成损害。无论是处于环境安全还是人体的健康,高效地监测丙酮至关重要。化学电阻式传感器在检测气体方向具有简单、快速和低成本等优点。其中,有很多关于四氧化三钴（Co3O4）及其衍生物对于丙酮检测的研究,然而这些报道多集中于实验方面,没有深刻剖析传感机理。本文利用密度泛函理论计算了Co3O4（111）、Mn-Co3O4（111）和W-Co3O4（111）对
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丙酮是一种挥发性有机化合物,能够对人体的呼吸系统造成损害。无论是处于环境安全还是人体的健康,高效地监测丙酮至关重要。化学电阻式传感器在检测气体方向具有简单、快速和低成本等优点。其中,有很多关于四氧化三钴（Co3O4）及其衍生物对于丙酮检测的研究,然而这些报道多集中于实验方面,没有深刻剖析传感机理。本文利用密度泛函理论计算了Co3O4（111）、Mn-Co3O4（111）和W-Co3O4（111）对丙酮的吸附性质,从而从理论角度剖析丙酮的吸附机制。（1）本论文首先研究Co3O4（111）表面对于丙酮气体的吸附机理。Co3O4（111）表面可能有五种结构,分别计算能量,确定能量最低的构型最为稳定。分析表面结构,可以发现Co3O4（111）表面有两种丙酮的吸附位点,即Co2+和Co3+位点。通过计算吸附能、吸附距离和转移电子数等吸附性质可以发现丙酮是化学吸附于Co3O4（111）表面。态密度分析,电荷布局分析也能作证这一点。这些结果与实验结果相一致,证明Co3O4可以作为丙酮检测的潜力材料。（2）然后,研究了Mn掺杂对Co3O4检测丙酮性能的影响。结构优化后可以发现Mn原子垂直于Co3O4（111）表面并与中心氧成键。相较于Co3O4（111）表面,尽管原有的吸附位点吸附能力略有下降,然而新增的Mn2+位点对于丙酮具有较好的吸附能力。此外,Mn掺杂缩小了Co3O4（111）表面的能隙,使其灵敏度提高。至于选择性,因为Mn-Co3O4（111）表面最好的吸附位点仍为Co3+位点,故选择性略有下降。（3）最后,研究了W原子修饰提高Co3O4（111）表面对丙酮吸附能力的原因。W-Co3O4（111）表面W原子毗邻于Co2+位点并桥联三个氧原子。与Mn-Co3O4材料类似,原有的吸附位点对丙酮的吸附性能略有下降。然而,新增的W位点对于丙酮的吸附性能远优于其他位点。此外,W原子修饰在缩短带隙方面也强于Mn位点。在选择性方面,因为最好的吸附位点为W位点,故其对于丙酮的吸附能力远大于其对于甲醇和乙醇,选择性大大提高。本研究具有普遍性,为寻找对丙酮的改进型p型半导体传感器提供了理论依据。
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