氨基與金改性碳納米管檢測六氟化硫分解組分的氣敏特性研究.pdf

1、六氟化硫(SF6)氣體具有優(yōu)異的絕緣滅弧能力,被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear,GIS)。在GIS的長期運(yùn)行過程中,其內(nèi)部絕緣缺陷會引發(fā)放電或過熱故障,導(dǎo)致 SF6分解,生成多種氣體組分。檢測和分析SF6分解的特征氣體組分對GIS的故障診斷和狀態(tài)評估具有重要意義。針對現(xiàn)有 SF6分解組分檢測方法的不足,文章采用碳納米管氣體傳感器檢測SF6分解組分,并通過理論計(jì)算和氣敏實(shí)驗(yàn)研究其微觀吸附機(jī)理和

2、宏觀氣敏特性。考慮本征碳納米管氣敏檢測的局限性,文章分別采用氨基修飾和金摻雜兩種方法對本征碳納米管進(jìn)行改性,研究氨基修飾碳納米管(SWCNTs-NH2)和金摻雜碳納米管(Au-SWCNTs)檢測SF6分解組分(H2S、SO2、SOF2、SO2F2)的氣敏響應(yīng)特性。
　　本研究首先根據(jù)密度泛函理論計(jì)算了SWCNTs-NH2與四種氣體的吸附反應(yīng)。結(jié)果顯示SO2與SWCNTs-NH2吸附反應(yīng)的吸附能最大,反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的電子量也最多,因

3、此 SWCNTs-NH2對SO2的靈敏度最高,其次是SOF2。SO2F2與SWCNTs-NH2為物理吸附,吸附過程中幾乎沒有電子轉(zhuǎn)移,因而靈敏度最低。隨后文章分別從分子前線軌道和態(tài)密度兩方面對反應(yīng)吸附能和電子轉(zhuǎn)移結(jié)果進(jìn)行解釋,并分析了SWCNTs-NH2與四種氣體吸附的微觀機(jī)理。然后,在實(shí)驗(yàn)室采用叉指電極印制電路板為基底制備SWCNTs-NH2氣體傳感器,并利用H2S、SO2、SOF2和SO2F2標(biāo)氣研究SWCNTs-NH2傳感器的氣敏

4、響應(yīng)特性,測試其響應(yīng)靈敏度,響應(yīng)時間和恢復(fù)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SWCNTs-NH2傳感器對SF6分解組分的選擇靈敏度為 SO2>SOF2>H2S>SO2F2。隨著氣體濃度降低,SWCNTs-NH2傳感器的響應(yīng)靈敏度降低,響應(yīng)時間延長,但氣體濃度變化不會改變SWCNTs-NH2傳感器總體的選擇性和響應(yīng)特征。另外SWCNTs-NH2傳感器具有良好的恢復(fù)特性,通過抽真空和氮?dú)鉀_洗處理,傳感器能夠在6分鐘內(nèi)基本恢復(fù)到初始狀態(tài)。因此SWCNTs-N

5、H2適合用于制備氣體傳感器檢測SF6分解組分,為GIS的故障診斷和狀態(tài)評估奠定基礎(chǔ)。最后,考慮到金屬摻雜碳納米管的優(yōu)異特性,文章進(jìn)一步對Au-SWCNTs檢測SF6分解組分進(jìn)行仿真研究。理論計(jì)算Au-SWCNTs與SF6及其分解組分的吸附反應(yīng),并從吸附能、電子轉(zhuǎn)移、分子前線軌道、態(tài)密度等多個角度分析Au-SWCNTs的吸附特性。計(jì)算結(jié)果表明Au-SWCNTs對SF6及其分解組分均具有較強(qiáng)的靈敏度。Au-SWCNTs吸附SO2后導(dǎo)電性增強(qiáng)