作为现代电力网络中不可或缺的组成部分，电力变压器承担着在配电系统中传输和分配能量的基本职责[[1], [2], [3], [4]]。大多数变电站变压器需要变压器油作为绝缘介质[3,5,6]。然而，变压器的运行异常——包括绝缘材料老化、绕组过热以及其他典型故障——可能会引发严重后果，如大规模停电[7,8]。在这些运行条件下，绝缘油会发生分子分解，释放出特征性气体副产品，包括H2、CO、CH4、C2H2、C2H4和C2H6，每种气体都是特定故障条件的化学指示物[[9], [10], [11]]。现有研究已证实这些气体成分与故障类别之间存在明显的相关性。例如，C2H2是放电故障的特征气体，而CH4与C2H6的比率与过热故障密切相关[12]。因此，检测这些故障气体已成为变压器故障检测的有效方法。目前，在各种检测方法中，溶解气体分析（DGA）[[13], [14], [15]]是最高效和可靠的方法，它通过在线监测气体浓度来实现早期故障诊断[16,17]。
近年来，传统的二维过渡金属硫属化合物（TMDs）——以MoS2和WS2为例——由于其较大的比表面积、可调的能带结构和表面显著的敏感性，在气体检测方面显示出巨大潜力[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。例如，单层MoS2具有2H相半导体特性和高表面活性，可以通过硫空位缺陷增强NO2的吸附，使其成为有前景的传感材料[20]。从结构上看，TMDs由层状排列的原子组成[24,25]。然而，由于层间范德华力的作用和电子结构调节的灵活性不足，它们的传感性能常常受到限制[26]。相比之下，新兴的Nb2S2C材料结合了MXenes的导电性和TMDs的化学活性[27]，提供了更好的结构稳定性和可调的表面化学性质。其S–Nb–C三明治结构有效抑制了层剥落并增强了结构稳定性[28]，而硫替代位点为过渡金属原子提供了精确的锚定[29]。此外，碳插层引起的Nb2S2C的金属电子结构以及扩展的层间电子通道使费米能级高于导带[30]，显著降低了传感器阻抗并加快了信号响应速度。然而，原始Nb2S2C单层对故障气体的物理吸附能力较弱，电荷转移有限，电阻变化也很小，这些限制影响了其实际传感性能。为了克服这些挑战，使用过渡金属（TM）原子修饰表面已被证明可以显著改善气体吸附性能和响应性[[31], [32], [33], [34]]。
先前的研究表明了这种方法的前景。Jiang等人[35]指出，用Pd和Pt掺杂可以大大增强InP和GaP单层对变压器油分解气体（C2H2、C2H4）的吸附能力。此外，Zhao等人[36]证明，用Fe、Co、Ni和Cu修饰的MoTe2单层对H2、CO、C2H2和C2H4表现出显著的敏感性。这些发现表明，Pd、Pt和Ni是提高气体传感性能的有前景的修饰原子。然而，关于Nb2S2C单层的气体传感研究仍然有限。已报道的工作主要集中在使用TM修饰的Nb2S2C检测硝基苯（NB）[37]和生物分子儿茶酚（Cc）[38]上。迄今为止，还没有研究探索TM修饰的Nb2S2C单层对变压器油分解气体的传感行为。
为了解决这一空白，本研究使用Nb2S2C单层作为基础传感材料，并用TM（Pd、Pt、Ni）进行修饰，以提高其稳定性和气体敏感性。通过第一性原理DFT计算，我们获得了最稳定的TM-Nb2S2C结构，并系统研究了它们对六种变压器油分解气体（H2、CO、CH2、C2H2、C2H4、C2H6）的吸附和传感性能。我们研究了吸附配置、与吸附相关的能量、电荷转移、态密度（DOS）、部分态密度（PDOS）以及分子轨道理论的原则。本文的其余部分组织如下：第2节介绍计算方法；第3节报告并讨论了原始和Pd/Pt/Ni修饰的Nb2S2C的吸附结果，包括恢复时间分析；第4节总结了其对变压器故障气体监测的启示。本研究不仅评估了吸附性能，还建立了掺杂剂选择、电子结构调节和传感特性之间的明确结构-性质关系，为设计基于Nb2S2C的气体传感器提供了全面的框架。
