Evaluación teórica de óxido de fosforeno azul para la adsorción de gases de bajo peso molecular

Abstract

Una posible alternativa para detectar e identificar gases nocivos para la salud humana y el ambiente son las nanoestructuras en 2D. Estas han mostrado propiedades físico-químicas adecuadas para la elaboración de sensores de gases, debido a que generan diferentes respuestas electrónicas por la interacción con moléculas gaseosas, tienen gran estabilidad estructural, pueden tener diferente composición química y poseen alta relación superficie-volumen. El fosforeno azul (BP) es un ejemplo de estos materiales bidimensionaleses. Estudios sobre la capacidad de adsorción de gases del BP, han mostrado la posibilidad de disociación del O 2 , que da origen a enlaces covalentes entre los átomos de fósforo y los oxígenos. Lo anterior podría explicar la oxidación que presenta el fosforeno en condiciones ambientales. Teóricamente se ha mostrado que el óxido de fosforeno azul (BPO), es tan estable como el BP. Dado que los óxidos metálicos son altamente empleados como catalizadores y sensores de gases, el BPO podría ser pensando como un posible sensor de gases. Por lo anterior, en este trabajo se estudiaron las propiedades electrónicas del BPO con el fin de evaluar sus posibilidades como sensor de gases, en particular en la adsorción de gases de bajo peso molecular (CH4, CO2, CO, N2O, SO2 y O2). La investigación se realizó en el marco de la teoría del funcional de la densidad (DFT). La interacción de los gases con el BPO se evaluó en cuatro sitios diferentes sobre la nanoestructura, teniendo en cuenta la orientación de las moléculas. Los resultados obtenidos muestran que se produce una fisisorción para todas las moléculas gaseosas, sin embargo en el caso del átomo de hidrógeno su quimisorción sobre la superficie deforma la estructura del BPO. De los resultados obtenidos se puede destacar que la interacción del BPO con O2 y SO2 presentaron las mayores energías de adsorción. Adicionalmente, el BPO pasa de semiconductor a conductor, dependiendo de la orientación de las moléculas. En contraste, las moléculas que presentaron menor energía de adsorción fueron el CO y CO2 . Estos resultados sugieren que el BPO podría ser un candidato promisorio para el desarrollo de sensores de gases debido a que algunas de las moléculas modificaron las propiedades electrónicas del BPO.

Abstract: A possible alternative to detect and recognize harmful gases for human health and the environment are 2D nanostructures. These have demonstrated adequate physical-chemical properties for the elaboration of gas sensors, because they have different electronic responses due to the interaction with gaseous molecules, they have great structural stability, they can have different chemical composition and connections with a high super-volume ratio. The Blue Phosphorene (BP) is an example of these nanomaterials. Studies on the gas adsorption capacity of BP have shown dissociation possibility of O2, which gives rise to covalent bonds between phosphorus atoms and oxygen. This could explain the oxidation that phosphorene presents in environmental conditions. Theoretically it has been shown that the Blue Phosphorene Oxide (BPO) is as stable as the BP. Since metal oxides are highly used as catalysts and gas sensors, the BPO could be thought of as a possible gas sensor. Therefore, in this work the electronic properties of the BPO were studied to test its possibilities as a gas sensor, in particular in the detection of low molecular weight gases (CH4, CO2, CO, N2O, SO2 and O2). The research was conducted within the framework of the density functional theory (DFT). The interaction of the gases with the BPO was evaluated in four different sites on the nanostructure, taking into account the orientation of the molecules. The obtained results show that a physisorption for all the gases molecules does take place; nevertheless, in the case of the hydrogen atom its chemisorption on the surface destroys the structure of the BPO. From the results obtained it can be noticed that the interaction of the BPO with O2 and SO2 had the highest adsorption energies, additionally, the BPO goes from semi-conductor to conductor, depending on the orientation of the molecules. In contrast, the molecules that showed the lowest adsorption energy were CO and CO2. These results suggest that the BPO could be a promising candidate for the development of gas sensors because some of the molecules modified the electronic properties of the BPO.