銀摻雜石墨烯檢測六氟化硫分解組分氣敏研究.pdf

1、六氟化硫(SF6)分解組分檢測是診斷 SF6氣體絕緣設(shè)備早期潛伏性絕緣故障的最佳方式之一。研制一系列高性能氣體傳感器組成可同時檢測各種SF6分解組分氣體的氣體傳感器陣列，是實(shí)現(xiàn)SF6氣體絕緣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷的物質(zhì)前提。隨著SF6氣體絕緣設(shè)備在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，堅持長期持續(xù)開展此項(xiàng)研究工作，不僅可有效降低設(shè)備故障率和運(yùn)維費(fèi)用，也是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要內(nèi)容。
　　基于功能化石墨烯作為氣敏材料在氣體傳感器方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景

2、，本文依托國家自然基金，針對相關(guān)課題——銀摻雜石墨烯檢測六氟化硫分解組分的氣敏研究，選擇SF6分解組分氣體（SO2F2、SOF2、SO2）作為研究對象，采用氧化還原法制備新型氣敏材料——銀摻雜石墨烯，通過幾種典型表征方法進(jìn)行微觀形貌與結(jié)構(gòu)特征的檢測，使用氣噴法工藝制作電阻型氣體傳感器，沿用本課題組自主設(shè)計的氣敏響應(yīng)測試平臺，研究在室溫條件下銀摻雜石墨烯氣體傳感器對SF6分解組分特征氣體（SO2F2、SOF2、SO2）的響應(yīng)特性。同時，基

3、于密度泛函理論的第一性原理，建立銀摻雜石墨烯模型，優(yōu)化氣體吸附體系模型，分別詳細(xì)計算出SF6分解組分特征氣體（SO2F2、SOF2、SO2）作用于銀摻雜石墨烯表面的吸附能，凈電荷轉(zhuǎn)移量，電子態(tài)密度，最高已占軌道，最低未占軌道等一系列表征吸附過程氣敏參量。取得的研究成果有如下幾點(diǎn)：
　　①本文采用氧化還原法制備的新型氣敏材料——銀摻雜石墨烯，結(jié)晶度良好，納米銀顆粒以覆蓋或者包裹的形式均勻分布在石墨烯薄膜表面。使用氣噴法工藝制作出的銀

4、摻雜石墨烯氣體傳感器在室溫條件下能有效完成氣敏響應(yīng)的測試工作。從宏觀實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，銀摻雜石墨烯傳感器對不同濃度的不同氣體間的響應(yīng)特性存在較為明顯的差異。它們靈敏度絕對值的大小順序依次為：SO2F2、SO2、SOF2。銀摻雜石墨烯對SO2F2氣體具有選擇性。從微觀理論中發(fā)現(xiàn)，銀原子摻雜至石墨烯表面有效地改變其表面的電子云分布，成為催化氣體分子與石墨烯表面發(fā)生吸附作用的活性中心，降低氣體化學(xué)吸附的活化能的同時為其提供可吸附位點(diǎn)，從而促進(jìn)氣體分

5、子與銀摻雜石墨烯體系的相互作用。同時，銀納米顆粒為氣體分子提供可吸附位點(diǎn)，促進(jìn)氣體分子與銀摻雜石墨烯體系的相互作用。
　?、诨诿芏确汉碚摰牡谝恍栽斫y摻雜石墨烯模型，優(yōu)化氣體吸附體系模型，分別分析出SF6特征分解組分氣體在單分子（SO2F2、SOF2、SO2）與雙分子（2SO2F2、2SOF2、2SO2）情況下與銀摻雜石墨烯表面相互作用的氣敏機(jī)理。兩種情況下均可發(fā)現(xiàn)，SO2F2、SO2兩種特征氣體與銀摻雜石墨烯表面的吸附作

6、用屬于較強(qiáng)烈的化學(xué)吸附，作用強(qiáng)度SO2F2>SO2，而SOF2于銀摻雜石墨烯表面的吸附作用屬于物理吸附效應(yīng)。
　　③理論計算獲得的SF6分解組分特征氣體（SO2F2、SOF2、SO2）與銀摻雜石墨烯表面相互作用強(qiáng)弱順序和實(shí)驗(yàn)所得的靈敏響應(yīng)度大小順序高度一致。當(dāng)氣體分子(SO2F2、SOF2和SO2)附著于銀摻雜石墨烯表面時產(chǎn)生誘導(dǎo)拉電子效應(yīng)，銀摻雜石墨烯表面的電子部分轉(zhuǎn)移至氣體分子上，其表面的空穴增多而使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，與宏觀上表