本征與金改性石墨烯檢測六氟化硫分解組分的氣敏特性及氣敏機(jī)理研究.pdf

1、六氟化硫（SF6）分解組分在線分析是目前判斷SF6氣體絕緣設(shè)備早期潛伏性絕緣故障最具前景的有效方法之一，氣體傳感技術(shù)的運(yùn)用是實(shí)現(xiàn)SF6氣體絕緣設(shè)備在線監(jiān)測分析的核心內(nèi)容。持續(xù)開展氣體傳感器的氣敏特性實(shí)驗(yàn)研究以及氣敏機(jī)理理論研究，確保運(yùn)行SF6氣體絕緣設(shè)備的主要故障特征氣體在線監(jiān)測分析的準(zhǔn)確有效性和長期穩(wěn)定性，對實(shí)現(xiàn)SF6氣體絕緣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷評估具有十分重要的實(shí)踐價(jià)值和理論意義。針對目前實(shí)驗(yàn)研究中氣體傳感器普遍存在的工作溫度較高

2、、靈敏度響應(yīng)低、交叉敏感嚴(yán)重等問題，論文將石墨烯這種新型功能氣敏材料引入至SF6氣體絕緣設(shè)備故障特征氣體的檢測研究中，同時(shí)基于第一性原理探討其對應(yīng)的內(nèi)在氣敏機(jī)理，為高性能傳感器的進(jìn)一步開發(fā)研制工作提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。
　　論文依托國家自然科學(xué)基金，以硫化氫（H2S）、二氧化硫（SO2）、氟化亞硫酰（SOF2）和氟化硫酰（SO2F2）四種主要的SF6故障分解組分為研究對象，從氣敏響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)檢測研究角度，分別研制出以本征、金摻

3、雜石墨烯為氣敏材料的表面電阻型傳感器，在室溫條件下主要研究了其靈敏度響應(yīng)、重復(fù)性與穩(wěn)定性、檢測選擇性等氣敏性能。同時(shí)基于密度泛函理論的第一性原理建立相應(yīng)的金摻雜石墨烯模型以及SF6分解組分特征氣體的吸附模型，從微觀原子、電子層面仿真計(jì)算金摻雜特性和氣體吸附特性。最后結(jié)合宏觀氣敏特性和微觀理論計(jì)算探究其內(nèi)在的氣敏機(jī)理，取得的成果主要有：
　?、俨捎没瘜W(xué)還原法制備的本征以及金摻雜石墨烯納米薄膜氣敏材料通過滴涂法制備成表面電阻型氣敏傳感

4、器，在室溫條件下基于實(shí)驗(yàn)室氣體測試平臺檢測了其對H2S、SO2、SOF2和SO2F2四種特征氣體的氣敏響應(yīng)特性。其中，SO2、SOF2和SO2F2三種氣體在本征石墨烯表面響應(yīng)不明顯，本征石墨烯傳感器對H2S氣體的靈敏度響應(yīng)較好，因此本征石墨烯傳感器對H2S氣體的檢測具有良好的選擇性。與本征石墨烯氣敏傳感器相比，金摻雜的石墨烯氣敏傳感器對H2S、SOF2和SO2F2三種氣體表現(xiàn)出了明顯的靈敏度響應(yīng)，而對SO2氣體的響應(yīng)較小，響應(yīng)值SO2F

5、2>H2S>SOF2>SO2，其中僅有H2S氣體的響應(yīng)特征表現(xiàn)為電阻增加，其他三種特征氣體的響應(yīng)特征均為電阻減小。
　?、谶x用MaterialStudio仿真計(jì)算軟件建立了本征石墨烯、金摻雜石墨烯模型以及H2S、SO2、SOF2和SO2F2四種特征氣體在兩種基底上的氣體吸附模型。基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算結(jié)果得出：本征石墨烯對四種特征氣體的吸附過程為簡單的物理吸附，范德華力占主要作用，沒有電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；金摻雜石墨烯表面對H2

6、S、SOF2和SO2F2三種特征氣體的吸附為較強(qiáng)烈的化學(xué)吸附，發(fā)生明顯的電荷轉(zhuǎn)移，伴隨著舊鍵的斷裂或者新鍵的形成，作用強(qiáng)度SO2F2>H2S>SOF2，SO2氣體在金摻雜石墨烯表面的作用為介于物理吸附效應(yīng)與化學(xué)吸附效應(yīng)之間的臨界狀態(tài)，相互作用較為微弱。
　?、弁ㄟ^研究金摻雜石墨烯與四種特征氣體的相互作用過程，論文對吸附界面表面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理進(jìn)行了更為深入的探討，初步判斷決定電荷轉(zhuǎn)移方向的關(guān)鍵參數(shù)是金摻雜石墨烯功函數(shù)?Au?G與吸附質(zhì)

7、氣體HOMO、LUMO分子軌道的能量差。電荷轉(zhuǎn)移的微觀過程可以總結(jié)為：n型吸附體系，金摻雜石墨烯基底充當(dāng)電子受體，其最終的正電荷供體衍生態(tài)E?大于吸附前金摻雜石墨烯基底功函數(shù)?Au?G，體系費(fèi)米能級上移；p型吸附體系，金摻雜石墨烯基底充當(dāng)電子給體，其最終的負(fù)電荷受體衍生態(tài)E?小于吸附前基底功函數(shù)?Au?G，體系費(fèi)米能級下移。
　　④為了從理論機(jī)理方面為氣敏傳感器選擇性檢測的實(shí)現(xiàn)方法提供指導(dǎo)，論文結(jié)合氣敏特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第一性原理計(jì)算

8、結(jié)果，初步探尋了n/p型吸附效應(yīng)與表面電阻變化的相互關(guān)系：p型吸附效應(yīng)氣體（SO2、SOF2和SO2F2）導(dǎo)致石墨烯基材料的基底電阻減小，而n型吸附效應(yīng)氣體（H2S）導(dǎo)致石墨烯基材料的基底電阻增加。
　　⑤根據(jù)微觀理論計(jì)算結(jié)果，SO2、SOF2和SO2F2氣體在本征石墨烯表面的物理吸附效應(yīng)可以很好地解釋其宏觀的氣敏響應(yīng)特性，同時(shí)，H2S、SOF2和SO2F2三種氣體在金摻雜石墨烯表面的化學(xué)吸附效應(yīng)亦可以很好地解釋其宏觀的氣敏響應(yīng)特