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，氣體傳感技術的運用是實現SF6氣體絕緣設備在線監(jiān)測分析的核心內容。持續(xù)開展氣體傳感器的氣敏特性實驗研究以及氣敏機理理論研究，確保運行SF6氣體絕緣設備的主要故障特征氣體在線監(jiān)測分析的準確有效性和長期穩(wěn)定性，對實現SF6氣體絕緣設備在線監(jiān)測與故障診斷評估具有十分重要的實踐價值和理論意義。針對目前實驗研究中氣體傳感器普遍存在的工作溫度較高

2、、靈敏度響應低、交叉敏感嚴重等問題，論文將石墨烯這種新型功能氣敏材料引入至SF6氣體絕緣設備故障特征氣體的檢測研究中，同時基于第一性原理探討其對應的內在氣敏機理，為高性能傳感器的進一步開發(fā)研制工作提供理論指導和技術支撐。
　　論文依托國家自然科學基金，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，從氣敏響應特性的實驗檢測研究角度，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、重復性與穩(wěn)定性、檢測選擇性等氣敏性能。同時基于密度泛函理論的第一性原理建立相應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、電子層面仿真計算金摻雜特性和氣體吸附特性。最后結合宏觀氣敏特性和微觀理論計算探究其內在的氣敏機理，取得的成果主要有：
　?、俨捎没瘜W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驗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特性。其中，SO2、SOF2和SO2F2三種氣體在本征石墨烯表面響應不明顯，本征石墨烯傳感器對H2S氣體的靈敏度響應較好，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SO2F2三種氣體表現出了明顯的靈敏度響應，而對SO2氣體的響應較小，響應值SO2F

5、2>H2S>SOF2>SO2，其中僅有H2S氣體的響應特征表現為電阻增加，其他三種特征氣體的響應特征均為電阻減小。
　?、谶x用MaterialStudio仿真計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?；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽碛嬎憬Y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，沒有電荷轉移現象；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烈的化學吸附，發(fā)生明顯的電荷轉移，伴隨著舊鍵的斷裂或者新鍵的形成，作用強度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與化學吸附效應之間的臨界狀態(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移機理進行了更為深入的探討，初步判斷決定電荷轉移方向的關鍵參數是金摻雜石墨烯功函數?Au?G與吸附質

7、氣體HOMO、LUMO分子軌道的能量差。電荷轉移的微觀過程可以總結為：n型吸附體系，金摻雜石墨烯基底充當電子受體，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?Au?G，體系費米能級上移；p型吸附體系，金摻雜石墨烯基底充當電子給體，其最終的負電荷受體衍生態(tài)E?小于吸附前基底功函數?Au?G，體系費米能級下移。
　?、転榱藦睦碚摍C理方面為氣敏傳感器選擇性檢測的實現方法提供指導，論文結合氣敏特性實驗結果與第一性原理計算

8、結果，初步探尋了n/p型吸附效應與表面電阻變化的相互關系：p型吸附效應氣體（SO2、SOF2和SO2F2）導致石墨烯基材料的基底電阻減小，而n型吸附效應氣體（H2S）導致石墨烯基材料的基底電阻增加。
　?、莞鶕⒂^理論計算結果，SO2、SOF2和SO2F2氣體在本征石墨烯表面的物理吸附效應可以很好地解釋其宏觀的氣敏響應特性，同時，H2S、SOF2和SO2F2三種氣體在金摻雜石墨烯表面的化學吸附效應亦可以很好地解釋其宏觀的氣敏響應特