本征及鉑摻雜銳鈦礦TiO2檢測(cè)SF6分解特征氣體氣敏機(jī)理研究.pdf

1、六氟化硫（SF6）氣體分子結(jié)構(gòu)獨(dú)特，絕緣滅弧性能優(yōu)異，作為氣體絕緣電力設(shè)備的絕緣介質(zhì)，在電力行業(yè)氣體絕緣組合電器（GasInsulatedSwitchgear，GIS）中被廣泛采用。在GIS長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，其內(nèi)部可能存在的一些不可避免潛伏性絕緣缺陷往往導(dǎo)致局部放電（PartialDischarge，PD）或局部過(guò)熱（PartialOverheating，PO）的發(fā)生，使得SF6氣體發(fā)生分解。SF6分解產(chǎn)物在痕量水（H2O）與氧（O2

2、）的作用下，會(huì)生成了一系列不同的氣體組分如SO2、SOF2、SO2F2、HF等。通過(guò)監(jiān)測(cè)SF6分解氣體組分的成分和濃度能及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部潛伏性絕緣缺陷，進(jìn)而對(duì)GIS設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和絕緣水平進(jìn)行評(píng)估，避免發(fā)生因潛伏性絕緣缺陷造成的突發(fā)性故障。本文為研究納米材料傳感技術(shù)在檢測(cè)SF6分解氣體組分中的應(yīng)用，分別研制了基于本征以及鉑摻雜TiO2納米管的氣體傳感器，并通過(guò)氣敏實(shí)驗(yàn)和第一性原理仿真計(jì)算分別對(duì)TiO2納米管氣體傳感器的氣敏

3、特性和氣敏機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　本文采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備本征TiO2納米管陣列，通過(guò)SEM、XRD的表征發(fā)現(xiàn)本征TiO2納米管陣列排列整齊、表面形貌均勻有序；在本征TiO2納米管的基礎(chǔ)上，采用電化學(xué)脈沖電流法在本征TiO2納米管表面沉積了分布均勻、大小一致的Pt納米顆粒，制成Pt摻雜TiO2納米管。之后利用基于TiO2納米管氣體傳感器的氣敏檢測(cè)裝置，通過(guò)氣敏實(shí)驗(yàn)研究了溫度條件下本征及Pt摻雜TiO2納米管氣體傳感器對(duì)SF6分解

4、主要特征氣體組分SO2、SO2F2、SOF2的響應(yīng)特性。
　　在研究本征以及Pt摻雜TiO2納米管溫度氣敏響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，本文采用MaterialsStudio從原子微觀角度仿真研究了TiO2納米管的氣敏機(jī)理。首先構(gòu)建了TiO2納米管表面的銳鈦礦晶型結(jié)構(gòu)模型以及特征氣體分子的結(jié)構(gòu)模型；之后考慮了銳鈦礦(101)晶面、銳鈦礦(001)晶面、晶面可能存在的氧空位缺陷以及晶面摻雜Pt納米管顆粒的情況，根據(jù)密度泛函理論（DensityF

5、unctionalTheory,DFT），對(duì)SF6分解特征氣體組分的單一氣體分子在銳鈦礦晶面的吸附過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算，得到吸附能、電荷轉(zhuǎn)移、吸附距離等參數(shù)，采用分子前線軌道理論和鍵價(jià)理論對(duì)氣體分子與晶面之間的相互作用進(jìn)行了分析；并通過(guò)吸附結(jié)構(gòu)的態(tài)密度以及能帶結(jié)構(gòu)分析了氣體分子的吸附對(duì)晶面導(dǎo)電性能的影響。最后通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)TiO2納米管氣體傳感器的溫度特性曲線進(jìn)行了解釋，分析完善了基于TiO2納米管陣列的氣體傳感器的氣敏機(jī)理。