Adsorción de gas a temperatura ambiente en nanohilos de ZnO en pie y en zigzag: un estudio de ReaxFF-MD

La adsorción de gas está intrínsecamente gobernada por la estructura superficial de los materiales de detección, donde una gran área de superficie y una alta reactividad son críticas para un rendimiento óptimo. Los materiales nanostructurados, con sus excepcionales razones de superficie a volumen, ofrecen capacidades de detección mejoradas. En este estudio, diseñamos dos morfologías distintas de nanohilos de ZnO (en pie y en zigzag) y utilizamos simulaciones de dinámica molecular de campo de fuerzas reactivas (ReaxFF-MD) para evaluar su rendimiento de adsorción para O2, H2, Cl2, CH2O, C2H6O y C3H6O a 300 K con un nivel inicial de gas de 200 moléculas por sistema. Los resultados muestran que todas las moléculas se adsorben completamente en las superficies de los nanohilos de ZnO, O2 se disocia en átomos de O y C2H6O se disocia en C2H5O y átomos de H, ambos adjuntos a la superficie. El análisis de energía muestra que los nanohilos en pie exhiben energías de adsorción más negativas para gases no polares (O2, -10317.26 kcal/mol; H2, -385.67 kcal/mol; Cl2, -19000 kcal/mol), mientras que los nanohilos en zigzag favorecen moléculas polares (CH2O, -9380 kcal/mol; C2H6O, -8568.58 kcal/mol; C3H6O, -6897.73 kcal/mol). Ambas morfologías muestran un proceso de adsorción en dos etapas, con números de adsorción en la segunda etapa disminuyendo en el siguiente orden: O2 > C2H6O > CH2O > C3H6O > Cl2 > H2. En comparación con los nanohilos en zigzag, los nanohilos en pie adsorben 136 O2, 9 H2, 15 Cl2, 38 CH2O, 53 C2H6O y 29 C3H6O, mientras que los nanohilos en zigzag adsorben 129 O2, 10 H2, 18 Cl2, 37 CH2O, 44 C2H6O y 27 C3H6O. En ambas morfologías, la adsorción de O2 conduce a una fuerte mejora en la sensibilidad. Estos resultados abren el camino para diseños más inteligentes a escala nanométrica en sensores de gas de próxima generación.