Sensing sulfur-containing gases using titanium and tin decorated zigzag graphene nanoribbons from first-principles

文献情報

出版日 2015-02-09
DOI 10.1039/C4CP05919K
インパクトファクター 3.676
著者

Sherif Abdulkader Tawfik, D. J. Carter, C. Stampfl


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要旨

Atom implantation in graphene or graphene nanoribbons offers a rich opportunity to tune the material structure and functional properties. In this study, zigzag graphene nanoribbons with Ti or Sn adatoms stabilised on a double carbon vacancy site are theoretically studied to investigate their sensitivity to sulfur-containing gases (H2S and SO2). Due to the abundance of oxygen in the atmosphere, we also consider the sensitivity of the structures in the presence of oxygen. Density functional theory calculations are performed to determine the adsorption geometry and energetics, and nonequilibrium Green's function method is employed to compute the current–voltage characteristics of the considered systems. Our results demonstrate the sensitivity of both Ti- and Sn-doped systems to H2S, and the mild sensitivity of Ti-doped sensor systems to SO2. The Ti-doped sensor structure exhibits sensitivity to H2S with or without oxidation, while oxidation of the Sn-doped sensor structure reduces its ability to adsorb H2S and SO2 molecules. Interestingly, oxygen dissociates on the Ti-doped sensor structure, but it does not affect the sensor's response to the H2S gas species. Oxidation prevents the dissociation of the H–S bond when H2S adsorbs on the Ti-doped structure, thus enhancing its reusability for this gas species. Our study suggests the potential of Ti- and Sn-doped graphene in selective gas sensing, irrespective of the sensing performance of the bulk oxides.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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