金屬摻雜碳納米管傳感器檢測六氟化硫分解產(chǎn)物的氣敏特性研究.pdf

1、SF6氣體絕緣設(shè)備在制造和長周期不間斷使用過程可能產(chǎn)生絕緣缺陷，引起設(shè)備內(nèi)部局部放電、火花放電或電弧放電等故障，大幅降低了設(shè)備的絕緣性能。此外，由于早期放電故障具有較強(qiáng)的潛伏性，定期檢查或離線檢測方法不容易發(fā)現(xiàn)放電故障。因此，為確保SF6氣體絕緣設(shè)備的運(yùn)行可靠性，需要研究能夠?qū)崟r(shí)檢測設(shè)備內(nèi)部放電故障類型和嚴(yán)重程度的在線監(jiān)測手段。當(dāng)SF6氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生絕緣缺陷時(shí)，SF6氣體會發(fā)生分解并與設(shè)備內(nèi)存在的微量H2O和O2等反應(yīng)生成SO2、

2、H2S、SOF2和SO2F2等特征分解產(chǎn)物。研究表明，放電故障類型產(chǎn)生的特征分解產(chǎn)物類型和濃度與放電故障類型和嚴(yán)重程度存在對應(yīng)關(guān)系。研究對SF6特征分解產(chǎn)物具有特定響應(yīng)特性的氣敏傳感器，可實(shí)現(xiàn)SF6氣體絕緣設(shè)備的在線監(jiān)測。
　　碳納米管材料獨(dú)特的氣敏響應(yīng)性能，使其成為了氣體檢測領(lǐng)域的重要研究對象。然而，本征碳納米管材料對SO2、H2S、SOF2和SO2F2的氣敏響應(yīng)能力有限，通常需要對其進(jìn)行摻雜改性。其中，Ni、Pd和Al金屬常用

3、于摻雜改性碳納米管，提升其氣敏響應(yīng)能力。因此，本文以Ni、Pd和Al摻雜碳納米管材料為研究對象，通過理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)途徑分別研究其對SO2、H2S、SOF2和SO2F2的氣敏響應(yīng)特性，以下為具體研究內(nèi)容：
　?、倩诘谝恍栽淼拿芏确汉碚摚到y(tǒng)性研究了單原子和雙原子摻雜碳納米管，以及金屬(111)特征晶面對SO2、H2S、SOF2和SO2F2的吸附特性，詳細(xì)計(jì)算了吸附結(jié)構(gòu)、吸附能、電荷分布、電子態(tài)密度和分子軌道等吸附參量。從微觀結(jié)

4、構(gòu)層面闡述了Ni、Pd和Al摻雜碳納米管的改性機(jī)理，以及摻雜碳納米管對SO2、H2S、SOF2和SO2F2的氣敏響應(yīng)機(jī)理。理論計(jì)算揭示了金屬單原子、雙原子摻雜碳納米管以及金屬(111)晶面對SO2、H2S、SOF2和SO2F2吸附的影響程度。金屬單原子和雙原子分別突出碳納米管外表面，提供氣體分子吸附的活性位點(diǎn)，降低了碳納米管對氣體分子的吸附勢壘，使得氣體分子更容易通過物理或化學(xué)吸附作用在金屬原子摻雜位置。碳納米管能夠吸附的氣體分子量隨摻

5、雜原子的增多而增加。三種不同金屬摻雜碳納米管對 SF6特征分解產(chǎn)物的吸附能力排序?yàn)椋篈l>Ni>Pd。吸附作用引起電子的重新分布，當(dāng)SO2、SOF2和SO2F2吸附在Ni、Pd和Al單原子和雙原子摻雜碳納米管表面以及Ni(111)和Al(111)表面時(shí)，氣體分子分別得到電子；當(dāng)起吸附在Pd(111)表面時(shí)失去電子。H2S在Ni、Pd和Al摻雜的所有吸附模型下均失去電子。電荷重新分布引起材料體系態(tài)密度和分子軌道的變化，導(dǎo)致材料吸附SO2、

6、H2S、SOF2和SO2F2后產(chǎn)生不同程度的電導(dǎo)率變化。
　?、谕ㄟ^調(diào)控化學(xué)氣相沉積過程中Ar、H2和C2H2氣體的流速及沉積溫度，生長了直徑為10~20nm，長度略30μm左右的形貌均勻、雜質(zhì)較少的本征碳納米管。采用化學(xué)還原法制備了Ni、Pd和Al分別摻雜的金屬摻雜碳納米管材料。XRD分析發(fā)現(xiàn)材料雜質(zhì)較少，而SEM表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ni、Pd納米顆粒在碳納米管表面分布均勻，但Al納米顆粒在碳納米管表面存在局部團(tuán)聚現(xiàn)象。表征結(jié)果證實(shí)了本

7、文所采用的金屬摻雜碳納米管制備方法的有效性。最后，通過噴涂法勻速將金屬摻雜碳納米管溶液噴涂于叉指電極上，獲得了Ni、Pd和Al金屬摻雜的碳納米管氣敏薄膜傳感器。
　　③在常溫常壓下測試了Ni、Pd和Al摻雜碳納米管氣敏傳感器對SO2、H2S、SOF2和SO2F2的氣敏響應(yīng)特性，包括：電阻變化特性、濃度特性、響應(yīng)恢復(fù)特性、選擇性和穩(wěn)定性等。常溫條件下金屬摻雜碳納米管傳感器的氣敏響應(yīng)速度較慢，傳感器電阻值在測試時(shí)間達(dá)到5分鐘左右逐漸趨

8、于穩(wěn)定。傳感器氣敏響應(yīng)值隨濃度的增大而增加，但氣敏響應(yīng)靈敏度卻隨濃度增加而減小。經(jīng)過多次響應(yīng)恢復(fù)特性測試發(fā)現(xiàn)，傳感器氣敏響應(yīng)值隨測試次數(shù)的增加只出現(xiàn)略微降低，表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用能力。Ni、Pd和Al摻雜碳納米管傳感器對SO2、H2S、SOF2和SO2F2體現(xiàn)出不同的氣敏響應(yīng)特性。Ni摻雜碳納米管傳感器的檢測極限達(dá)到1μL/L，相應(yīng)的SO2、H2S、SOF2和SO2F2氣敏響應(yīng)值分別為：-1.62％、-9.5%、-5.91%和-0.7%

9、。Pd摻雜碳納米管傳感器對100μL/L的SO2、H2S、SOF2和SO2F2的氣敏響應(yīng)值分別為：-11%、-13.5%、-9%和3%。Al摻雜碳納米管傳感器對100μL/L的SO2、H2S、SOF2和 SO2F2的氣敏響應(yīng)值分別為：-5.3%、-7.6%、2.3%和-4.4%。依據(jù) Ni、Pd和Al三種不同金屬摻雜碳納米管傳感器對SF6特征分解產(chǎn)物所體現(xiàn)的特異性氣敏響應(yīng)靈敏度和選擇性，可研究能夠識別SF6特征分解產(chǎn)物組成和對應(yīng)濃度的傳