以第一原理研究單層 GaSe 對一氧化碳氧化相關應用

Yi-Ting Chen^1*, Huei-Ru Fuh¹

¹化學工程與材料科學學系, 元智大學, 桃園, Taiwan

* Presenter:Yi-Ting Chen, email:a1998090681@gmail.com

一氧化碳(CO)是一種有毒的物質，進入體內會對人體造成傷害，但由於它無色、無味、無臭、不屬於刺激性氣體，因此吸入體內的人往往在不知道自己已中毒的情況下昏迷死亡。CO 會在不完全燃燒的狀況下產生，可以利用氧化反應(CO＋1/2O₂ → CO₂)將 CO 變成 CO₂以減少 CO 的產生，而本篇將研究 GaSe 對 CO 氧化的吸附能力。

GaSe 是具有多種結構(ε、β、γ、δ)的 III-VI 族半導體，由於在光學方面上的潛在應用而引起廣大的關注，單層 GaSe 是由 Se-Ga-Ga-Se 四層原子組成的，屬於間接能隙半導體，本篇將探討單層 ε-GaSe 與氣體分子間的相互作用。利用第一原理密度泛函理論(Density functional theory, DFT)作為基礎，計算氣體與基材間的吸附能力，並更進一步探討 GaSe 的兩種氧化機制：Eley-Rideal (E-R)機制和 Langmuir-Hinshelwood (L-H)機制。

先前研究表明 CO 與 O₂ 在 Ga 原子上方具有最低的吸附能[1]，因此將 CO 與 O₂ 吸附於GaSe 表面，計算不同方向的氣體與基材的作用，找出總能最低的結構去計算吸附能。分析不同氣體分子之間的吸附能力，由文獻結果可知 O₂ 分子的吸附能低於 CO 分子，發現 O₂ 會優先於 CO 吸附在基材表面上，表示與基材的作用越緊密越不易脫離，這有助於 CO 氧化反應的進行，避免毒化作用產生。CO 的氧化機制分為 E-R 機制以及 L-H 機制。在 E-R 機制中，先被基材吸附的 O₂ 會與 CO 反應形成 CO₂ (CO + O→CO₂)；L-H 機制則是基材同時吸附 O₂ 與CO 的反應( CO + O₂ → OOCO → CO₂ + O)[2]。藉由反應過程中產生的能障大小，可以判斷GaSe 的氧化反應會傾向何種機制。由文獻已知[3] ，透過對基材施加拉伸或壓縮可使材料的特性產生變化，先前研究表明應變以及缺陷效應能提高 β-GaSe 的 CO 氧化速率，這是由於改變了基材的穩定性進而提高對 CO 的靈敏度。也將基材換成 ε-GaSe，研究應變缺陷效應對 CO氧化的影響。

致謝
感謝科技部提供相關研究經費(MOST110-2112-M-155-001-MY3)

參考文獻
[1] Zhou, C.; Zhu, H.; Wu, Y.; Lin, W.; Yang, W.; Dong, L. Effect of External Strain on the Charge Transfer: Adsorption of Gas Molecules on Monolayer GaSe. Materials Chemistry and Physics 2017 198, 49-56.
[2] Lu, Y.-H.; Zhou, M.; Zhang, C.; Feng, Y.-P. Metal-Embedded Graphene: A Possible Catalyst with High Activity. J. Phys. Chem. C. 2009 113, 20156-20160.
[3] Huang, H.-P.; Fuh H.-R.; Chang, C.-R. Enhanced Sensitivity of CO on Two-Dimensional, Strained, and Defective GaSe. Molecules 2021 26, 812.

Keywords: 第一原理, 吸附能, 氧化反應