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《重庆大学》 2015年
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本征及铂掺杂锐钛矿TiO_2检测SF_6分解特征气体气敏机理研究

陈秦川  
【摘要】:六氟化硫(SF6)气体分子结构独特,绝缘灭弧性能优异,作为气体绝缘电力设备的绝缘介质,在电力行业气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear,GIS)中被广泛采用。在GIS长期的运行过程当中,其内部可能存在的一些不可避免潜伏性绝缘缺陷往往导致局部放电(Partial Discharge,PD)或局部过热(Partial Overheating,PO)的发生,使得SF6气体发生分解。SF6分解产物在痕量水(H2O)与氧(O2)的作用下,会生成了一系列不同的气体组分如SO2、SOF2、SO2F2、HF等。通过监测SF6分解气体组分的成分和浓度能及时、有效地发现GIS设备内部潜伏性绝缘缺陷,进而对GIS设备的运行状态和绝缘水平进行评估,避免发生因潜伏性绝缘缺陷造成的突发性故障。本文为研究纳米材料传感技术在检测SF6分解气体组分中的应用,分别研制了基于本征以及铂掺杂Ti O2纳米管的气体传感器,并通过气敏实验和第一性原理仿真计算分别对Ti O2纳米管气体传感器的气敏特性和气敏机理进行了研究。本文采用电化学阳极氧化法制备本征Ti O2纳米管阵列,通过SEM、XRD的表征发现本征Ti O2纳米管阵列排列整齐、表面形貌均匀有序;在本征Ti O2纳米管的基础上,采用电化学脉冲电流法在本征Ti O2纳米管表面沉积了分布均匀、大小一致的Pt纳米颗粒,制成Pt掺杂Ti O2纳米管。之后利用基于Ti O2纳米管气体传感器的气敏检测装置,通过气敏实验研究了温度条件下本征及Pt掺杂Ti O2纳米管气体传感器对SF6分解主要特征气体组分SO2、SO2F2、SOF2的响应特性。在研究本征以及Pt掺杂Ti O2纳米管温度气敏响应特性的基础上,本文采用Materials Studio从原子微观角度仿真研究了Ti O2纳米管的气敏机理。首先构建了Ti O2纳米管表面的锐钛矿晶型结构模型以及特征气体分子的结构模型;之后考虑了锐钛矿(101)晶面、锐钛矿(001)晶面、晶面可能存在的氧空位缺陷以及晶面掺杂Pt纳米管颗粒的情况,根据密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT),对SF6分解特征气体组分的单一气体分子在锐钛矿晶面的吸附过程进行了理论计算,得到吸附能、电荷转移、吸附距离等参数,采用分子前线轨道理论和键价理论对气体分子与晶面之间的相互作用进行了分析;并通过吸附结构的态密度以及能带结构分析了气体分子的吸附对晶面导电性能的影响。最后通过仿真计算结果对Ti O2纳米管气体传感器的温度特性曲线进行了解释,分析完善了基于Ti O2纳米管阵列的气体传感器的气敏机理。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM855

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