钯离子掺杂纳米二氧化锡基甲烷传感器的气体检测特性研究

摘要

持续开展气体传感器的检测特性研究，揭示纳米掺杂对气体传感器气敏性能影响机理，形成更优传感器的制作方法，对变压器油中溶解气体在线监测技术的推进具有重要意义。甲烷(CH4)气体是运行电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一，能有效的反映变压器的油纸过热和局部放电等故障。然而，现阶段应用的气体传感器普遍存在着工作温度过高、灵敏度低、交叉敏感度严重以及长期使用易老化、中毒等问题，限制了其在在线监测装置中的应用。二氧化锡(SnO2)纳米材料作为开发最早、应用最广泛的半导体气敏材料之一，对油中溶解的多种故障特征气体均为敏感，是目前实验研究及商业应用中最主要的传感材料。针对SnO2基 CH4传感器的特性检测，论文开展了基于表面沉积掺杂和原子替代掺杂下钯离子(Pd2+)掺杂纳米 SnO2基 CH4气体传感器的检测特性及气敏机理研究：制备了两种掺杂方式下钯离子掺杂纳米二氧化锡基甲烷传感器；并分别测试了传感器对CH4气体的检测特性；基于密度泛函理论的第一性原理，建立了两种掺杂方式下的Pd2+的掺杂模型和 CH4气体的吸附模型，并计算了模型的掺杂能和吸附能。论文的主要工作和取得的主要结论如下：
　　完成了Pd2+表面沉积掺杂纳米SnO2气敏元件对CH4气体检测性能的研究。通过纳米材料的结构表征得出：纯 SnO2纳米粉体样品与 Pd2+表面沉积掺杂量为1.0wt％~3.0wt%的SnO2纳米粉体样品呈稳定的金红石结构；随着Pd2+掺杂量的增加，SnO2样品粒径逐渐减小，在局部出现了较为明显的团聚现象，并且SnO2边缘逐渐产生模糊层，说明材料中存在一定量的氧缺陷，能够为检测气体提供更多的吸附位置。基于平面型微量气体测试平台，测试研究四种不同掺杂量的样品对CH4气体的检测特性，测试结果表明：当Pd2+表面沉积掺杂量为1.5 wt%时，纳米SnO2对CH4气体的各项气敏特性最优；同时，该元件能够有效地检测1?L/L的CH4气体；在CH4与C2H2、CO、H2共存的情况下，对CH4具有良好的选择性。
　　完成了Pd2+原子替换掺杂的SnO2纳米微球对CH4气体气敏性能的研究。通过纳米材料的结构表征得出：纯 SnO2纳米微球样品与 Pd2+原子替代掺杂量为1.0at%~5.0at%的SnO2纳米微球样品在掺杂前后形貌未发生较大改变；随着掺杂量的增加，SnO2纳米微球的粒径逐渐减小，分散性变差。基于实验室微量气体测试平台对 CH4气体进行气敏特性测试：发现掺杂后样品的气敏性能均有所提高，特别是当Pd2+掺杂量为3.0 at%时，SnO2元件的性能最佳，并对CH4气体表现出良好的选择性。
　　基于第一性原理，分别建立了Pd2+在两种掺杂方式下对SnO2(110)面的掺杂模型与 CH4气体的表面吸附模型，通过优化后计算得出：采用 Pd2+表面沉积掺杂的SnO2(110)晶体模型对CH4的吸附能最高，吸附最容易发生在该模型表层的O2C空位处，且吸附后系统最为稳定。结合宏观气敏实验数据与微观仿真计算，比较分析了影响SnO2基CH4传感器气敏特性的因素，并找寻提高气敏性能的方法。

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1 绪 论

1.1 研究纳米二氧化锡基甲烷传感器的气体检测特性的目的和意义

1.2 溶解气体传感器的研究现状

1.3 纳米二氧化锡基气体传感器制备方法与机理研究

1.4 本文研究内容

2 纳米传感器的制备、表征方法与气敏性能检测平台的搭建

2.1 气体传感器的制备方法概述

2.2 气体传感器检测实验平台搭建

2.3 纳米材料的结构表征及气敏特性的检测

2.4 小结

3 钯离子表面沉积掺杂纳米二氧化锡基甲烷传感器的气体检测特性

3.1 钯离子表面沉积掺杂纳米二氧化锡纳米球气敏材料的制备

3.2 钯离子表面沉积掺杂纳米二氧化锡纳米球气敏材料的表征

3.3 钯离子表面沉积掺杂纳米二氧化锡基甲烷传感器的气敏性能

3.4 小结

4 钯离子原子替换掺杂纳米二氧化锡基甲烷传感器的气体检测特性

4.1 钯离子原子替换掺杂纳米二氧化锡纳米球气敏材料的制备

4.2 钯离子原子替换掺杂纳米二氧化锡纳米球气敏材料的表征

4.3 钯离子原子替换掺杂纳米二氧化锡基甲烷传感器的气敏特性

4.4 小结

5 基于第一性原理的不同方式掺杂二氧化锡基甲烷传感器的气敏机理分析

5.1 SnO2晶体结构模型第一性原理研究

5.2 两种方式掺杂的SnO2(110)原子、电子结构信息的第一性原理研究

5.3 两种方式掺杂的二氧化锡基甲烷传感器气敏性能与仿真计算对比分析

6 结论与展望

6.1结论

6.2 后续工作与展望

致谢

参考文献