本征及鉑摻雜銳鈦礦TiO2檢測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長期的運行過程當(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，會生成了一系列不同的氣體組分如SO2、SOF2、SO2F2、HF等。通過監(jiān)測SF6分解氣體組分的成分和濃度能及時、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GIS設(shè)備的運行狀態(tài)和絕緣水平進(jìn)行評估，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，并通過氣敏實驗和第一性原理仿真計算分別對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)陽極氧化法制備本征TiO2納米管陣列，通過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裝置，通過氣敏實驗研究了溫度條件下本征及Pt摻雜TiO2納米管氣體傳感器對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程進(jìn)行了理論計算，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理論對氣體分子與晶面之間的相互作用進(jìn)行了分析；并通過吸附結(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晶面導(dǎo)電性能的影響。最后通過仿真計算結(jié)果對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。