氨基与金改性碳纳米管检测六氟化硫分解组分的气敏特性研究

摘要

六氟化硫(SF6)气体具有优异的绝缘灭弧能力,被广泛应用于气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear,GIS)。在GIS的长期运行过程中,其内部绝缘缺陷会引发放电或过热故障,导致 SF6分解,生成多种气体组分。检测和分析SF6分解的特征气体组分对GIS的故障诊断和状态评估具有重要意义。针对现有 SF6分解组分检测方法的不足,文章采用碳纳米管气体传感器检测SF6分解组分,并通过理论计算和气敏实验研究其微观吸附机理和宏观气敏特性。考虑本征碳纳米管气敏检测的局限性,文章分别采用氨基修饰和金掺杂两种方法对本征碳纳米管进行改性,研究氨基修饰碳纳米管(SWCNTs-NH2)和金掺杂碳纳米管(Au-SWCNTs)检测SF6分解组分(H2S、SO2、SOF2、SO2F2)的气敏响应特性。
　　本研究首先根据密度泛函理论计算了SWCNTs-NH2与四种气体的吸附反应。结果显示SO2与SWCNTs-NH2吸附反应的吸附能最大,反应过程中转移的电子量也最多,因此 SWCNTs-NH2对SO2的灵敏度最高,其次是SOF2。SO2F2与SWCNTs-NH2为物理吸附,吸附过程中几乎没有电子转移,因而灵敏度最低。随后文章分别从分子前线轨道和态密度两方面对反应吸附能和电子转移结果进行解释,并分析了SWCNTs-NH2与四种气体吸附的微观机理。然后,在实验室采用叉指电极印制电路板为基底制备SWCNTs-NH2气体传感器,并利用H2S、SO2、SOF2和SO2F2标气研究SWCNTs-NH2传感器的气敏响应特性,测试其响应灵敏度,响应时间和恢复特性。实验结果表明SWCNTs-NH2传感器对SF6分解组分的选择灵敏度为 SO2>SOF2>H2S>SO2F2。随着气体浓度降低,SWCNTs-NH2传感器的响应灵敏度降低,响应时间延长,但气体浓度变化不会改变SWCNTs-NH2传感器总体的选择性和响应特征。另外SWCNTs-NH2传感器具有良好的恢复特性,通过抽真空和氮气冲洗处理,传感器能够在6分钟内基本恢复到初始状态。因此SWCNTs-NH2适合用于制备气体传感器检测SF6分解组分,为GIS的故障诊断和状态评估奠定基础。最后,考虑到金属掺杂碳纳米管的优异特性,文章进一步对Au-SWCNTs检测SF6分解组分进行仿真研究。理论计算Au-SWCNTs与SF6及其分解组分的吸附反应,并从吸附能、电子转移、分子前线轨道、态密度等多个角度分析Au-SWCNTs的吸附特性。计算结果表明Au-SWCNTs对SF6及其分解组分均具有较强的灵敏度。Au-SWCNTs吸附SO2后导电性增强,而吸附H2S后导电性减弱。另外,Au-SWCNTs与三种硫氟气体(SOF2、SO2F2、SF6)发生了强烈的吸附,使S-F键断裂,气体分子解离。因此Au-SWCNTs不适合用于SF6分解组分检测,但可以用于SF6设备气体检漏和SF6废气的处理。