Graphene/hexagonal boron nitride heterostructure: A promising material for ammonia gas sensing devices in humid environments

Bài báo thuộc danh mục ISI (Q3) do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- khoa Khoa học cơ bản trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Phùng Thị Việt Bắc- Trường Đại học VinUniversity; TS. Nguyễn Phi Long- khoa Điện- Trường Đại học Điện-Điện tử - Đại học Công nghiệp Hà Nội đăng trên tạp chí Vietnam Journal of Chemistry xuất bản ngày 28 tháng 2 năm 2025.

Việc nghiên cứu cơ chế đồng hấp phụ của H2O và NH3 trên dị thể graphene/hexagonal boron nitride lục giác (h-BN) đóng vai trò then chốt trong việc định hướng thiết kế các vật liệu mới ứng dụng cho cảm biến khí amonia hoạt động trong môi trường ẩm. Trong bài báo, nhóm tác giả sử dụng phương pháp nguyên lý thứ nhất kết hợp với lý thuyết hàm mật độ có xét đến tương tác van der Waals phi thực nghiệm để khảo sát quá trình hấp phụ NH₃ và H₂O đồng thời trên cấu trúc dị thể graphene/h-BN. Kết quả tính toán của nhóm cho thấy, sự có mặt của hơi nước làm tăng độ nhạy và độ ổn định nhiệt động của hệ NH₃ + graphene/h-BN thông qua sự hình thành các cụm NH₃•H₂O hấp phụ trực tiếp lên bề mặt cấu trúc dị thể. Đặc biệt, sự có mặt của H₂O làm giảm năng lượng hấp phụ xuống còn −0.613 eV — âm hơn đáng kể so với trường hợp chỉ hấp phụ NH₃ — đồng thời làm tăng đáng kể lượng điện tích chuyển từ chất hấp phụ sang dị thể graphene/h-BN, lớn hơn hơn hai lần so với trường hợp chỉ có NH₃. Ngoài ra, thời gian hồi phục của dị thể graphene/h-BN sau quá trình đồng hấp phụ NH₃ + H₂O được dự đoán là rất ngắn, chỉ trong khoảng vài giây, phù hợp với kết quả thực nghiệm đã được báo cáo. Những kết quả này chứng minh tiềm năng ứng dụng của vật liệu dị thể graphene/h-BN trong các thiết bị cảm biến khí amonia có hiệu suất cao và độ ổn định cơ học tốt trong điều kiện môi trường ẩm.

Abstract: Elucidating the co-adsorption mechanism of H2O and NH3 onto heterostructures (h-BN) is critical to guide the design of new materials for application in ammonia gas sensor devices in humid environments. Here, we use first principles methods with non-empirical van der Waals density functional theory to investigate the adsorption of graphene/h-BN to NH3 + H2O. Our results show that the presence of water vapor enhances the sensitivity and the thermodynamical stability of the ammonia + graphene/h-BN through the formation of NH3•H2O clusters adsorbed directly on the graphene/h-BN. The presence of water vapor leads to the decrease of the adsorption energy to −0.613 eV, much more negative than that for the adsorption of NH3 gas, and the increasing of the electron transfer from the adsorbates to graphene/h-BN heterostructure, more twice larger than that for the adsorption of solely ammonia. Additionally, the recovery time of graphene/h-BN for the co-adsorption of NH3 + H2O is predicted to be quite short, in seconds range, in good agreement with experiment work. The results demonstrate the potential for application of graphene/h-BN for ammonia gas sensors with high performance and mechanical stability in humid environments.

Keyword: Graphene/ hexagona; boron nitride; heterostructures; water; ammonia; co-adsorption

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1002/vjch.70010