Electrical identification of SF6 breakdown by-products using 2D carbon allotrope nanodevices

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dc.contributor.advisor1Scopel, Wanderlã Luis
dc.contributor.advisor1ID https://orcid.org/0000-0002-2091-8121
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1465127043013658
dc.contributor.authorSpalenza, Pedro Elias Priori
dc.contributor.authorID https://orcid.org/0000-0003-1476-4645
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/7527588660443784
dc.contributor.referee1Souza, José Eduardo Padilha de
dc.contributor.referee1ID https://orcid.org/0000-0002-4299-2808
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/
dc.contributor.referee2Rodrigues, Débora Carvalho de Melo
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-2495-2463
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/4077880075640475
dc.contributor.referee3Lima, Filipe Camargo Dalmatti Alves
dc.contributor.referee3ID https://orcid.org/0000-0001-7062-5450
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/9691181918031689
dc.contributor.referee4Nascimento, Valberto Pedruzzi
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-9543-5335
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-9543-5335
dc.contributor.referee4Lattes http://lattes.cnpq.br/9908042258225541
dc.date.accessioned2025-11-27T23:37:16Z
dc.date.available2025-11-27T23:37:16Z
dc.date.issued2025-10-16
dc.description.abstractSulfur hexafluoride (SF6) is widely employed as an insulating gas in the power industry due to its exceptional dielectric properties. However, it inevitably decomposes into hazardous by-products during prolonged operation. Detecting these decomposition products is crucial for assessing equipment health and preventing insulation failures. Two-dimensional (2D) carbon-based materials have recently emerged as promising platforms for gas sensing. Nonetheless, their inherently weak van der Waals interactions with SF6 by-products often require surface functionalization, potentially compromising device reusability. Here, we propose four pristine 2D carbon allotropes- Net-graphene, Graphene+, T-graphene, and Biphenylene- as field-effect nanosensors for SF6 decomposition products. Using density functional theory combined with non-equilibrium Green’s function calculations, we examined the physisorption of H2S, SO2, SO2F2, and SOF2 on these materials. Although adsorption is dominated by van der Waals forces, an appropriate gate voltage shifts the chemical potential into sensitive regions of the transmission spectrum, enabling both detection and unambiguous identification of target molecules. In particular, a Net-graphene device can distinguish SO2 and H2S with high specificity, negligible cross-selectivity to O2 and H2O, and ultrafast recovery times. Moreover, Graphene+ uniquely detects both SO2 and SOF2 at a single gate voltage. Overall, the combination of intrinsic stability, low-power operation, rapid recovery, high sensitivity, and strong selectivity positions Net-graphene and Graphene+ as leading candidates for real-time, field-effect-based monitoring of SF6 decomposition products in power-industry applications.
dc.description.resumoO hexafluoreto de enxofre (SF6), amplamente utilizado como isolante na indústria de energia, apresenta excelentes propriedades dielétricas. No entanto, ao longo do tempo, o SF6 se decompõe em diversos subprodutos, cuja detecção é essencial para avaliar o estado de equipamentos de alta tensão e prevenir falhas operacionais. Recentemente, materiais bidimensionais (2D), especialmente os à base de carbono, têm se destacado como plataformas promissoras para sensores de gases, tornando-se fortes candidatos à próxima geração de dispositivos sensores. Devido às fracas interações do tipo van der Waals entre materiais carbonosos e os subprodutos da decomposição do SF6, a funcionalização tem sido amplamente empregada para intensificar a interação entre a superfície e as moléculas. No entanto, essa estratégia impõe desafios experimentais e pode levar a problemas com a reusabilidade do dispositivo. Como alternativa, propomos sensores baseados em materiais 2D de carbono não-modificados (Net-graphene, Graphene+, T-graphene e Biphenylene) para monitoramento da degradação do SF6. Para isso, utilizamos a teoria do funcional da densidade combinada com métodos de função de Green fora do equilíbrio para investigar as interações entre os dispositivos e os principais subprodutos do SF6 (H2S, SO2, SO2F2, e SOF2). As moléculas interagem por meio de fisissorção com os dispositivos, o que permite a modulação da condutância e, consequentemente, a detecção e identificação das espécies alvo. Propomos um dispositivo de efeito de campo baseado em Net-graphene capaz de detectar SO2 e H2S com alta especificidade, sem seletividade cruzada e com tempo de recuperação rápido. Além disso, o sensor demonstra resistência à degradação provocada por O2 e H2O. Também propomos o uso do Graphene+ como sensor capaz de detectar de forma distinta SO2 e SOF2 sob a mesma voltagem de porta. Em síntese, nossos resultados destacam o Net-graphene e o Graphene+ como nanomateriais altamente promissores para o monitoramento em tempo real dos subprodutos da decomposição do SF6 na indústria de energia.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20651
dc.languagepor
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Física
dc.publisher.departmentCentro de Ciências Exatas
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Física
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectNet-graphene
dc.subjectGraphene+
dc.subjectT-graphene
dc.subjectBiphenylene
dc.subjectSF6
dc.subject.cnpqFísica
dc.titleElectrical identification of SF6 breakdown by-products using 2D carbon allotrope nanodevices
dc.typedoctoralThesis
foaf.mboxemail@ufes.br
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