氮和氟掺杂TiO2纳米管气体传感器检测SF6分解组分的气敏特性研究.pdfVIP

中文摘要 摘 要 SF6 电气绝缘设备将多种电器封闭组合，减少了占地面积以及外界环境的影 响，目前被广泛应用于电力系统中，但在其长期运行过程中，内部潜伏性绝缘缺 陷会引起局部放电，造成 SF6 绝缘气体的分解，使其绝缘性能降低。为保证电力系 统的安全稳定，有必要对 SF6 电气绝缘设备的运行状态进行检测。不同于其他离线 以及定期检测方法，气敏传感器法可实现对设备实时长期在线监测。 近些年来，由于 TiO2 的应用领域十分广泛而得到大量的研究。基于TiO2 纳米 材料的电阻式气敏传感器具有稳定性高、电阻变化大且可逆等特点成为气敏领域 中的研究热点。但是，本征 TiO2 固有能隙较大等缺陷，限制了其在气敏领域中的 广泛应用。研究表明，通过金属或非金属掺杂的方式对 TiO2 表面进行改性是解决 这一问题的有效方法。因此，本文采用介质阻挡放电低温等离子体法对 TiO2 纳米 管进行氟掺杂以及氮氟共掺杂，从理论仿真和宏观实验两个方面对改性后的 TiO2 纳米管气体传感器的气敏性能展开研究。本文的主要研究内容与结论包括： （1）研究了 SF6 的三种分解产物在氟掺杂和氮氟共掺杂TiO2 晶面上的吸附规 律和机理。基于仿真软件 Materials Studio 建立了氟掺杂以及氮氟共掺杂 TiO2 微观 模型，通过密度泛函理论计算了气体分子在 TiO2 晶面上的吸附过程；分析了吸附 体系的态密度、分子前线轨道等相关参数。仿真结果表明，SO2 气体分子吸附到氟 掺杂以及氮氟共掺杂 TiO2 晶面后，吸附体系的电子结构发生了明显的变化，电荷 转移方向由掺杂前的从气体分子向晶面转移变为从晶面向气体分子转移；掺杂后 的晶面对 SOF 和 SO F 分子的吸附作用略微有所加强。 2 2 2 （2 ）开展了 TiO2 纳米管表面改性实验。具体实施中采用介质阻挡放电产生 CF 等离子体和N 与 CH 混合等离子体对 TiO 纳米管表面进行氟掺杂以及氮氟共 4 2 4 2 掺杂。SEM 和 XRD 表征结果表明 TiO2 纳米管改性后的结构和性质均未发生改变； F 1s 和 N 1s 轨道的 XPS 谱图表明经过等离子体放电处理后，TiO2 晶格中的部分O 原子被 N 原子和 F 原子替代，并形成了新的 F-Ti 键和 N-Ti 键，成功实现了氟掺 杂以及氮和氟的共掺杂。 （3 ）开展了 TiO2 纳米管气敏实验，研究了氟掺杂以及氮氟共掺杂 TiO2 纳米 管气敏传感器对三种分解组分的宏观气敏特性。首先测量了改性 TiO2 纳米管气敏 传感器对三种分解组分的温度特性，结果表明，与掺杂前相比，改性后的 TiO2 纳 米管气敏传感器的工作温度明显降低，其中，氟掺杂 TiO2 纳米管对三种组分的工 ° ° 作温度由改性前的 200 C 降为 110 C 左右，氮氟共掺杂 TiO2 纳米管对三种组分的 ° ° 工作温度由改性前的 200 C 降为 80 C 左右；然后，进行了改性后的 TiO2 纳米管对 I 重庆大学硕士学位论文 三种分解组分气敏响应的实验测量，结果表明，氟掺杂 TiO 纳米管对 SO 、SOF 2 2 2 和 SO F 气体的气敏响应值分别为：-26.78%、-15.83%和-10.47% ；氮氟共掺杂 TiO 2 2