Evaluación mediante DFT de nanosuperficies de nitruro de aluminio como potencial sensor de gases en equipos de alta tensión

GONZÁLEZ FÁ, ALEJANDRO; HEFFNER, HERMAN; FACCIO, RICARDO; LÓPEZ CORRAL, IGNACIO

Mar del Plata

Congreso; XX Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales; 2022

INTEMA (CONICET-UNMDP)

El hexafluoruro de azufre(SF6) es un gas ampliamente utilizado como dieléctrico en dispositivos de altovoltaje, especialmente en cámaras de estaciones eléctricas de alta tensión(GIS). Bajo procesos anómalos de descarga parcial, este gas se descomponegenerando productos altamente tóxicos, como fluoruro de sulfurilo (SO2F2) yfluoruro de tionilo (SOF2), cuya detección suele utilizarse para identificareste tipo de fallas. Sin embargo, las técnicas convencionales de detección paraestos gases, como la espectroscopia infrarroja o la cromatografía gaseosa,presentan varios inconvenientes que dificultan la implementación de muestreosregulares o mediciones en tiempo real, mientras que otras alternativas, comolos sensores basados en óxidos metálicos, requieren elevadas temperaturas parasu correcto funcionamiento. En consecuencia, en los últimos años ha adquiridoespecial relevancia el estudio de diversos nanomateriales aplicados a ladetección de estos gases, entre los que podemos mencionar las nanoestructuraslaminares tipo grafeno o “nanosheets” basadas en nitruro de aluminio (AlNNS).El objetivo del presentetrabajo es evaluar, en el marco de la Teoría del Funcional de la Densidad(DFT), la potencial capacidad de las superficies de AlNNS para detectar SOF2 ySO2F2. El estudio se llevó a cabo aplicando el código Vienna Ab initioSimulation Package (VASP) con el funcional de correlación-intercambio PBE,incluyéndose fuerzas de van der Waals a través del funcional vdW-DF. Lasuperficie AlNNS se modeló mediante una celda bidimensional con una constantede red de 15.707 Å, sobre la cual se evaluaron diferentes geometrías inicialesde interacción para las moléculas de SO2F2 y SOF2. Una vez finalizado elproceso de optimización geométrica, a continuación se calcularon las energíasde adsorción (Eads), se evaluaron las correspondientes densidades de estado(DOS) y se analizaron las cargas electrónicas sobre los átomos interactuantes,obtenidas a través del método de Bader.Los sistemas SOF2/AlNNSestudiados convergieron en dos geometrías estables con valores suficientementesignificativos de Eads: -0.37 eV, valor típico de una fisisorción, y -1.93 eV, en cuyo caso tuvo lugar la ruptura de lamolécula y el desarrollo de interacciones Al-F y N-S de 1.80 y 1.60 Å de longitud, respectivamente,correspondientes a una quimisorción, como puede apreciarse en la Figura 1a. Encuanto a los sistemas SO2F2/AlNNS, se obtuvo sólo una geometría estable con Eads= -1.62 eV, también correspondiente a una quimisorción,en la cual la molécula se desprende de uno de sus átomos de flúor y se originanenlaces Al-F y N-S de 1.70 y 1.58 Å, respectivamente (Figura 1b). Ambos adsorbatostambién dieron lugar a la formación de interacciones Al-O, con longitudes de enlace superiores a 2 Å.En todos los casosanalizados, los sistemas preferenciales SOF2/AlNNS y SO2F2/AlNNS presentaroncurvas DOS con distribuciones simétricas spin-up y spin-down, indicando así laausencia de magnetismo. Por otra parte, se verificó que el valor de energía debanda prohibida (Eg) de la superficie prístina se altera considerablemente unavez producida la interacción con la molécula de SOF2, con una variaciónsuperior al 36%, mientras que dicha modificación es claramente menor en el casodel SO2F2 (9%). Dado que estas alteraciones en el “gap” están relacionadas concambios en el valor de conductividad a través de la ecuación σ ≈ exp(−Eg/2kB),donde k es la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta, cabe esperarque tanto la adsorción de SOF2 como de SO2F2 conduzca a modificacionessuficientemente significativas en la conductividad de la superficie. Finalmentese analizaron las transferencias de carga producidas entre el AlNNS y lasmoléculas gaseosas durante el proceso de adsorción. En ambos casos seregistraron valores negativos de transferencia electrónica (−0,583e para SOF2 y−0,589e para SO2F2), lo cual indica que la superficie cede carga al adsorbato yse comporta como un semiconductor tipo n al producirse la interacción.Por lo tanto, los resultadosobtenidos sugieren que las superficies de AlNNS son capaces de adsorbereficazmente los gases SOF2 y SO2F2 generados en procesos de descarga parcial desubestaciones GIS, originándose transferencias de carga electrónica y cambiossuficientemente notorios en la conductividad del nanomaterial como paraposibilitar una adecuada detección de estos gases.