论文部分内容阅读
气体传感器技术是在线监测变压器油中溶解气体的核心;传统半导体金属氧化物气体传感器普遍存在灵敏度低、工作温度较高、响应-恢复时间长、选择性差等问题,制约了其在变压器油中溶解气体在线监测中的良好应用。氧化锌基复合材料具备优异物化性质且制备简单、对多种变压器油中溶解故障特征气体均敏感等优点,成为了目前该领域的研究热点。论文以变压器油中溶解主要特征气体为研究对象,从气敏特性研究的角度,研制钴掺杂氧化锌（Co-doped ZnO）复合材料的平面型气体传感器,实验研究了四种气体（H2、CO、CH4、C2H2）的温度-灵敏度、浓度-最低检测极限、响应-恢复时间、选择性、稳定性等气敏性能;基于密度泛函理论第一性原理,建立了本征、钴掺杂氧化锌模型以及六种气体（H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4）的吸附模型,从原子、电子层面仿真计算了钴掺杂特性和气体吸附特性,结合宏观气敏特性和微观理论计算探究了其气敏机理,为探寻针对检测变压器油中溶解气体的气敏材料的特定功能化修饰方法提供理论指导。论文的主要工作有:通过水热法合成了不同形貌的ZnO、Co-doped ZnO纳米材料,对其进行了XRD、SEM、TEM、SAED表征测试,制作了平面型Co-doped ZnO复合材料气敏元件:Co-doped ZnO的XRD谱线显示其出现了新三掺杂特征峰,且Co的掺杂融合加强了本征ZnO材料三主要尖峰的强度,制备合成的晶体为纯相六方晶系纤锌矿结构,具备良好的结晶度;多种形貌的Co-doped ZnO纳米材料结构较本征ZnO纳米材料更为清晰,分散性更好,比表面积更大,气体通道更多,在材料表面具有的更多有效活性位点,有助于其与气体发生更剧烈的电荷交换及物化反应;较少掺杂对于本征材料的形貌和结晶影响较小,制备的材料沿ZnO最主要暴露晶面（0001）面生长。实验研究了H2、CO、CH4、C2H2四种主要特征气体的气敏检测特性:在200μL/L气氛下,温度-灵敏度特性为:C2H2（160 oC,9.886）4（200 oC,6.054）oC,4.077）2（260 oC,3.369）;在0400μL/L气氛下测试了浓度特性,在020μL/L气氛下,呈现出较好的拟合优度,其最低检测极限为:C2H2（2.62μL/L）4（9.43μL/L）2（24.68μL/L）;在200μL/L气氛下,其响应-恢复时间为:C2H2（2226 s）4（2233 s）33 s）2（3543 s）;引入了灵敏度基准化方法分析传感器的选择性,在50、100、200μL/L气氛下,其对四种气体的选择性良好;在100μL/L气氛下,传感器在测试的60天区间内的漂移及波动量很小,稳定性良好。第一性原理计算了钴掺杂氧化锌的结构模型和H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4六种主要特征气体在钴掺杂氧化锌复合材料（0001）表面的吸附模型;通过对吸附能Ea、电荷转移量Qt、电子态密度T（L）DOS、能隙Eg、可视化HOMO-LUMO轨道等五个不同参数进行综合分析,结合电导率的变化,复合材料对六种气体的气体敏感性顺序为:C2H2>CO2>CH4>C2H4>CO>H2;Co的掺杂引入了能带杂质层,降低了能量势垒,提升了电子密度,增强了电荷转移,吸附基底电阻得以减小,增强了材料吸附基底与气体吸附质间的相互作用。对比宏观气敏性能测试,验证了基于密度泛函理论第一性原理的氧化锌基模型计算掺杂元素选取及被测气体宏观检测特性的可行性,为研究高性能用于DGA的氧化锌基材料气体传感器提供了一种新的思路与方法。