基于第一性原理的复合MoS2(001)表面对C2H2气体气敏性能研究*

C2 H2作为油浸式电力设备运行过程的主要故障特征气体之一,实现其高效检测有利于对设备运行状态进行准确评估.目前气敏材料是油中溶解气体检测研究的重点,为此利用第一性原理仿真对不同MoS2基复合材料的气敏机理进行分析,筛选出气敏性能好的组合形式.构建Sn原子和Zn原子复合后的单层MoS2(001)面超晶胞模型,计算复合后的形成能、复合原子电荷转移量和单层MoS2晶体态密度.针对两个复合模型及纯MoS2(001)面晶体建立C2 H2气体的吸附模型,计算吸附能、气体电荷转移量、差分电荷密度和吸附后气体的态密度.结果表明C2 H2气体分子在Zn原子复合模型上的转移电子量最多,吸附能最大.研究成果对高效C2 H2气体传感器的制备具有重要意义.     

碳纳米管传感器吸附机理及对SF_6分解组分检测应用综述

碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为一种新型的气敏材料,具有孔隙率高、比表面积大和结构中空的特性,在气敏传感器领域备受青睐。其气敏特性不仅体现在对于特定气体的优良响应特性,更在于对不同气体种类和浓度的识别能力。该文综述了碳纳米管传感器的气体吸附机理,及其在检测电力系统气体绝缘开关设备中六氟化硫(sulfur hexafluoride,SF_6)分解组分领域中的应用。总结了其作为气体传感器对各种分解组分的实验检测和理论计算结论,分析对比了不同类型传感器在检测过程中所具有的优势和不足,提出了碳纳米管传感器在检测SF_6分解组分方面的研究趋势。     

羟基修饰单壁碳纳米管对SF6局部放电分解组分气敏特性的研究

为了从混合气体组分中检测出气体绝缘组合电器(GIS)中的SF6气体在局部放电作用下分解产生的特征气体组分,将纳米气敏传感技术用于SF6分解特征组分的检测。在分析现有的SF6分解气体特征组分检测方法不足的基础上,研制了羟基修饰的单壁碳纳米管(SWNT-OH)气敏传感器,并对SOF2、SO2F2、SO2和CF4等4种SF6分解组分进行了气敏实验。得到的实验结果表明:在测试的4种主要分解组分中,SWNT-OH气敏传感器对SO2电阻变化率最大,响应时间最短;SWNT-OH气敏传感器的电阻变化率与SO2的体积分数之间满足一定的线性关系;且传感器在空气中可以自恢复,恢复时间短,并在一定程度上满足稳定性的要求。SWNT-OH气敏传感器对SO2表现出了较好的气敏传感性能,在SF6分解特征组分检测方面有着较好的应用前景。     

基于第一性原理的金掺杂石墨烯对SF_6分解组分的气敏分析

六氟化硫(SF_6)分解组分检测是诊断气体绝缘设备早期潜伏性绝缘故障的最佳方式之一,通过发现早期潜伏性故障可以有效避免突发性事故的发生。功能化石墨烯作为气敏材料在传感器方面展现了良好的应用前景。因此,该文基于第一性原理计算分析了功能化石墨烯基材料即Au原子掺杂石墨烯对SF_6分解组分SO_2F_2、SOF_2、SO_2和H2S的气敏响应特性。理论计算了分解组分的分子吸附能,净电荷转移量,电子态密度,Mulliken电荷布居数,自旋磁矩,最高已占轨道,最低未占轨道等一系列表征气敏响应特性参量。结果表明:SO_2F_2、SOF_2和H2S三种特征气体在Au掺杂石墨烯(金掺杂石墨烯)表面的吸附为较强烈的化学吸附效应,作用强度SO_2F_2H2SSOF_2,而SO_2在Au掺杂石墨烯表面的吸附作用介于物理吸附效应与化学吸附的临界状态。金掺杂石墨烯对SO_2F_2表现出良好的选择性和较高的灵敏性。仿真所得Au掺杂石墨烯对SF_6分解组分气敏响应特性结果,对实验探究用于SF_6绝缘设备的Au掺杂石墨烯气敏传感器具有重要指导作用。     

纳米氧化锌气敏传感器应用于变压器油中溶解微量氢气检测*

通过水热法合成的方式制备氧化锌气敏材料,采用柠檬酸三钠作为反应添加剂进行材料微观形貌上的调控,基于实验室微量气体平台检测和分析不同形态氧化锌气敏材料对氢气的检测特性和气敏机理。结果表明多孔隙氧化锌气敏材料对氢气的最佳工作温度出现在350 ℃,同时对低浓度氢气有良好的响应值和较快的响应恢复时间。研究成果对制备高精确度氢气气体传感器,进而实现变压器状态的准确评估研究具有重要意义。     

盐酸–磺基水杨酸复合沉积的聚苯胺传感器吸附H_2S和SO_2的气敏性能

H_2S和SO_2是气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内部的绝缘缺陷引起局部放电时,绝缘气体SF_6分解生成的典型特征气体。通过监测这些放电分解产物,能为监测GIS设备的运行状态提供关键信息。该文基于质子酸沉积的聚苯胺基气敏材料的优越性能及其在气敏传感器领域的广阔应用前景,利用化学氧化聚合法合成了盐酸和磺基水杨酸复合沉积的聚苯胺气敏传感器,并通过傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等表面表征方式评估了制备的气敏基底,继而测试了此传感器对10~100μL/L浓度范围的H_2S和SO_2的气敏响应程度、响应时间、重复性和稳定性等关键参数。结果表明,复合沉积的气敏传感器对10~100μL/L浓度范围的H_2S和SO_2具有良好的敏感度,且敏感度与气体浓度呈现较为理想的线性关系;此外,该传感器还具有优良的长期稳定和热稳定性能。因此,所制备的复合沉积聚苯胺材料为研制室温下监测GIS设备内H_2S和SO_2的实用型敏感器件奠定基础。     

基于阻抗匹配的电子标签式香蕉气体传感器

为监测香蕉在仓储运输过程中的新鲜程度,研制了一款电子标签式香蕉气体传感器。该传感器由标签天线和气敏薄膜两部分构成。利用电磁仿真软件,设计了谐振频率为915 MHz的领结型标签天线。通过多种气敏材料的复阻抗对比,选取多壁碳纳米管(MWNTs)为气敏材料,并掺杂少量导电碳浆对其进行降阻,解决了传感器气敏薄膜同标签天线之间的阻抗匹配问题。搭建气敏测试平台,测试了传感器对不同时期香蕉释放气体的响应特性。实验结果表明,标签气体传感器对香蕉释放气体具有良好的响应和恢复特性;当香蕉分别处于新鲜期、成熟期和腐烂期时,对应的传感器谐振频率变化Δf_c分别为9、36和18 MHz,可实现香蕉新鲜程度的定性识别。     

锐钛矿型(101)晶面吸附SF_6局部放电分解组分的气敏机理分析

气体绝缘组合开关(GIS)内部的局部放电会导致绝缘气体SF_6分解,生成多种特征气体。通过检测特征气体的成分和浓度能够及早发现GIS设备内部潜伏性绝缘缺陷,在设备绝缘状况恶化前提前预警,避免突发性故障发生。作为气敏传感领域的研究热点,TiO_2纳米管在GIS故障气体监测领域应用前景广阔。该文从微观层面上研究TiO_2纳米管气体传感器的气敏机理。利用Materials Studio软件仿真计算了锐钛矿型TiO_2(101)晶面的完美晶面、缺陷晶面以及Pt掺杂晶面对特征气体SO_2、SOF_2、SO_2F_2的吸附参数,理论分析了气体分子与晶面的作用过程,建立起晶面导电性能与气体分子吸附的联系。此外,通过气敏实验研究了本征及Pt掺杂TiO_2纳米管传感器对SO_2、SOF_2、SO_2F_2的气敏响应,并基于仿真结果解释实验现象,完善了TiO_2纳米管的气敏机理,为制备GIS设备局部放电监测的气敏传感器奠定了基础。     

基于密度泛函理论的SF_6分解组分在ZnO(0001)吸附及传感性能研究

基于第一性原理密度泛函理论探讨了四种典型SF_6分解组分(SO_2,SOF_2,SO_2F_2以及H_2S)分别在ZnO(0001)表面上的吸附以及传感性能。计算并比较了不同气体吸附所产生的吸附能、吸附距离、电荷转移、差分电荷密度,并通过能态密度计算探讨了气体分子与表面的化学相互作用。结果显示,四种气体分子均能与ZnO(0001)表面产生较强的化学吸附作用。除了SO_2分子在吸附后还保留本身的分子结构外,其他三种分子均发生了不同程度的分解。SOF_2与SO_2F_2表现为S-F键断裂而H_2S表现为S-H键断裂。虽然计算结果显示ZnO(0001)表面对四种组分均有较强的吸附以及气敏性能,但因为较大的吸附能及气体的分解,ZnO对组分的恢复性能有待提升。本文能为基于ZnO及其改性材料的气敏传感器检测SF_6分解组分提供理论基础及指导。     

镍掺杂碳纳米管传感器检测变压器油中溶解气体的气敏性

检测变压器油中溶解气体的成分和含量对变压器运行状态的诊断和评估有重要意义。提出一种用镍掺杂的碳纳米管气敏传感器检测变压器油中溶解气体的方法,介绍其制备方法、试验方法及步骤,并对变压器油中气体进行气敏响应测试以及气敏响应机制的探讨。试验结果表明:与混酸修饰的碳纳米管相比,镍掺杂碳纳米管对变压器油中溶解的6种组分气体有更高的灵敏度和响应速度;对低浓度(1～10μL/L)的C2H2气体,传感器的电阻变化率ρ与气体浓度满足一定的线性关系。证明了所研制的传感器具有检测低浓度气体的能力,能够体现变压器油中溶解气体的大致产生情况及近似浓度。     

氯化镍掺杂的碳纳米管对SF6放电分解产物的气敏响应

检测和分析六氟化硫（SF6）气体放电分解产物对于气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）设备的安全运行有着重要意义。分析碳纳米管的气敏响应机制及掺杂对其气敏性能的改善,研制了一种氯化镍掺杂的多壁碳纳米管传感器,将NiCl2×6H2O和浓酸处理过的碳纳米管悬浊液超声掺杂,然后涂布在以印...     

用于SO_2气体检测的4A型分子筛掺杂碳纳米管气敏传感器研制

SO2作为SF6气体在局部放电作用下的重要特征分解组分,其体积分数大小和变化规律可用于判断SF6绝缘设备内局部放电的严重程度。为提高碳纳米管传感器对SO2气体的检测灵敏度,实现对SO2气体的快速实时检测,提出了一种分子筛掺杂碳纳米管制备气敏传感器的方法,研究了不同掺杂比例的传感器对体积分数为10-4的SO2气体的气敏响应特性,并对反应机理进行了初步探讨。结果表明:与本征碳纳米管相比,4A分子筛掺杂制备出的碳纳米管气敏传感器对SO2的灵敏度有了显著提高,电阻变化率从0.96%最大提高至33.7%,并且传感器具有良好的重复性和稳定性,多次重复试验表明传感器电阻变化率保持稳定。研究结果为最终实现SF6气体绝缘设备中SO2气体的在线监测奠定了试验基础。     

不同PtNPs掺杂量石墨烯传感器检测SF6分解组分的气敏特性

气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）中SF₆气体放电分解组分的检测,对GIS内部局部放电的严重程度的判断和状态维修具有重要的意义。本文提出运用Pt纳米颗粒（PtNPs）掺杂石墨烯对SF₆放电分解组分进行检测,目的是为GIS的在线监测提供一种方法。采用一步化学还原法研制出不同PtNPs掺杂量石墨烯传感器,对SF₆主要分解组分进行了气敏响应实验,并对比了不同PtNPs掺杂量的石墨烯传感器及本征石墨烯传感器的气敏特性曲线,初步探讨了其气敏响应机理。实验结果表明,PtNPs的掺杂带来了响应值的提升,而且传感器在不同PtNPs掺杂量下显示出不同的选择性。     

基于第一性原理的SnO2(101)表面对SF6分解气体气敏性能研究

通过检测SF_6典型分解气体可以诊断出SF_6气体绝缘设备早期绝缘故障。二氧化锡(SnO_2)是应用广泛的气敏材料,文中采用第一性原理计算并分析了SF_6分解气体在SnO_2(101)表面的吸附情况,研究SnO_2(101)表面对SF_6分解气体的气敏性能。通过理论计算,获得了H_2S、SF_6、SO_2、SOF_2和SO_2F_2气体分子在SnO_2(101)表面吸附的吸附能、吸附构型、电荷转移、差分电荷密度、态密度、势能图与功函数等表征吸附特性的参量。分析计算结果发现,SnO_2(101)对H_2S和SO_2有很好的选择性和敏感性,有望成为检测SF_6分解气体的传感器材料。     

复合生物膜气敏传感器及其测试系统研究

为了降低气体传感器功耗、获得高的灵敏度和选择性，利用生物提取液的气敏特性，制作了石英晶体复合生物膜气体传感器。对石英晶体表面进行三种不同的预处理后，表面涂覆数种生物提取液膜，研究了基片预处理方法对传感器敏感度的影响和传感器响应信号的长期稳定性。采用紧凑高效的振荡电路，充分利用数据采集卡资源，构成了灵敏的气体检测系统。新型传感器不需要加热、灵敏度高，响应特性在30天内保持稳定。对8MHz左右的石苎晶体气体传感器所采用的频率测量方法准确度为±5Hz。     

大气压介质阻挡放电对多壁碳纳米管表面改性及其气敏特性

H2S是气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内部一些潜伏性绝缘缺陷产生放电的重要的特征组分气体之一,检测它对设备运行状态的诊断和评估有着重要的意义。为此,采用大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体对多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)进行了表面改性。实验研究了改性前后MWNTs对体积分数为50×10-6的H2S标气的气敏特性的影响以及不同改性时间对其气敏特性的影响,结果表明,改性后的MWNTs对H2S在灵敏度和响应时间方面都有较大幅度的改善;改性时间为60s的MWNTs的气敏特性要优于其它时间。对处理前后的MWNTs进行了扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析,结果显示,经DBD等离子体处理后的MWNTs表面变粗糙,缺陷增加,其表面引入了羟基、羧酸根和C-O等含氧基团。     

用于绝缘油中气体监测的半导体气敏传感器模型

利用塔板理论建立混合气体色谱柱分离的数学模型；分析了半导体气敏传感器的稳态、暂态响应与恢复特性，提出了关于传感器响应与恢复特性的3个假设：传感器稳态输出电阻的对数与气体浓度的对数服从正切关系，暂态响应特性取决于传感器当前的阻值状态和当前时刻的气体浓度，恢复特性取决于传感器当前阻值状态和下一时刻的气体浓度。采用实验与数值逼近等数学方法确定所需参数。最后设计了验证实验，结果表明将3个假设用于油中气体监测系统的半导体传感器能够满足要求。     

掺杂硫化钼对油中特征气体C_2H_2的吸附性能

乙炔(C_2H_2)是油浸式变压器故障的重要故障特征气体,其组分浓度和产气速率可有效反映电力变压器油纸绝缘性能。为实现油中C_2H_2特征气体的快速、准确、有效检测,提出一种基于金属掺杂硫化钼(MoS_2)基半导体气体传感器的油中C_2H_2特征气体检测方法。基于第一性原理计算了本征及贵金属(Au和Ag)掺杂MoS_2材料对油中特征气体C_2H_2的吸附特性。计算并比较了吸附能、电荷转移量、电子态密度等吸附特性,结果表明掺杂MoS_2对C_2H_2的吸附为化学吸附,而本征MoS_2则显示出物理吸附特性,强度为Au掺杂MoS_2Ag掺杂MoS_2本征MoS_2。理论计算所得吸附特性结果,有利于完善MoS_2材料的气敏机理,为基于MoS_2传感器的油中故障特征气体检测奠定了基础。     

TiO2掺杂石墨烯对SO2气体的气敏特性研究

气体绝缘开关设备(GIS)放电过程中产生的SO2组分,与放电故障类型和严重程度具有密切关系.探究具有优异气敏检测能力的SO2气敏传感器,可为在线监测GIS放电故障提供检测基础.基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,首先,优化了不同数量TiO2在石墨烯表面的掺杂结构,获得最优化掺杂结构;其次,让SO2气体分子以不同方式靠近本征石墨烯,计算分析SO2气体分子在TiO2-graphene表面的吸附结构、吸附能和电荷转移;最后,对比分析气体吸附前后体系的总态密度(DOS)和分波态密度(PDOS),探究SO2与TiO2掺杂石墨烯结构之间相互作用机理.研究发现,两个TiO2掺杂具有最优掺杂结构,对单个和双SO2气体分子均具有良好的吸附性能且都为化学吸附.因此,基于TiO2掺杂石墨烯材料的气敏传感器在GIS放电分解组分检测与故障诊断领域具有良好的应用前景.     

变压器油气体色谱在线监测的气体检测原理及特性

论述了变压器油中溶解气体色谱在线监测装置中气体检测单元的构成原理,分离条件的选择方法,分离度和分时间制约因素。得到了螺旋型串联复合色谱柱与气敏传感器为主体的检测单元的色谱出力波形。