【摘要】：油中溶解特征气体分析是油浸式电力变压器状态检修的有效方法之一,乙炔(C_2H_2)是溶解在变压器油中的主要故障特征气体乙炔传感器,可以有效地反映电力变压器的放电性故障问题。半导体二氧化锡(SnO_2)气体传感器由于其低成本和高稳定性等特点而受到广泛关注,用于油中溶解气体在线分析时,存在选择性差,使用寿命短等难题,因此,研究SnO_2基C_2H_2气体传感器气敏机理及检测特性对提升变压器的绝缘运行水平具有重要的意义。论文依托国家自然科学基金项目,开展SnO_2基C_2H_2气体传感器检测特性及气敏机理第一性原理研究。首先,采用水热法制备出不同形貌的SnO_2气敏材料,表征之后制成平面式气体传感器,分析其生长机理并测试其对C_2H_2气体的气敏特性。采用溶胶凝胶法合成纯的Cr_2O_3颗粒后,基于静电纺丝法制备纯的以及Cr_2O_3-SnO_2纤维状气敏材料,结构表征后研究其对C_2H_2气体的检测特性。基于密度泛函理论第一性原理,建立SnO_2表面模型及C_2H_2吸附模型、Cr-SnO_2掺杂模型及C_2H_2气体吸附模型,对其表面原子构型及电子性能进行第一性原理仿真分析。论文取得的主要成果如下:(1)通过水热法制备了纤维、棒、微球和花状SnO_2气敏材料,并进行了XRD、SEM、BET表征,制成平面式气体传感器,基于实验室微量气体气敏测试平台测试了其对乙炔气体的气敏特性。

结果表明,纤维状和花状SnO_2传感器测试C_2H_2气体时,比微球和棒状传感器具有更低的工作温度、更优的气敏响应和更快的响应恢复时间,其中纤维状和花状SnO_2检测100ppmC_2H_2的最佳工作温度降至260℃,灵敏度分别为47和34乙炔传感器,同时对C_2H_2气体表现出较好地稳定性和重复性。测试发现,纤维状SnO_2材料具有较大的比表面积(36.67m~2/~(-1)g)和较大的孔径(8.9nm),因此对C_2H_2气体表现出更好的气敏性能。(2)采用溶胶凝胶法合成纯的Cr_2O_3颗粒后二氧化碳报警器,基于静电纺丝法制备了纯的以及Cr_2O_3-SnO_2纤维状气敏材料,并对其进行了XRD、SEM、EDS、XPS表征,制成平面式气体传感器油漆检测仪,测试了其对C_2H_2气体的检测特性。测试结果表明:与纤维状的纯SnO_2气体传感器相比,Cr_2O_3-SnO_2传感器检测C_2H_2时具有更好的气敏特性。检测20ppm浓度的C_2H_2时,Cr_2O_3-SnO_2气体传感器的最佳工作温度降至220°C,灵敏度升至48.54,响应恢复时间为10s和12s。并在低浓度1-50ppm范围内对C_2H_2的表现出较好的线性度,线性拟合函数是y=5.07+2.02x,线性相关系数为0.993。

(3)基于密度泛函理论第一性原理,建立了金红石型SnO_2晶体模型乙炔传感器,C_2H_2气体分子在SnO_2(110)面Sn_(5c)、Sn_(6c)、O_(2c)、O_(3c)位置的吸附模型,仿真研究发现,O_(2c)位置为SnO_2(110)面C_2H_2气体的最佳吸附位点。建立了Cr取代SnO_2(110)面Sn_(5c)、Sn_(6c)位点的掺杂模型,研究发现Sn_(5c)位置为Cr在SnO_2晶体模型上的最佳掺杂位置。基于最优掺杂构型建立了C_2H_2气体吸附模型,研究表明相比纯的SnO_2(110)面C_2H_2气体吸附模型,Cr掺杂在SnO_2(110)面吸附C_2H_2时,能带间隙减小0.044eV,电荷转移量增大为0.251e,因此对Cr掺杂SnO_2基C_2H_2传感器表现出更好的气敏性能。

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