SF6绝缘气体因其良好的绝缘和灭弧性能,已被广泛应用于多种高压电气设备中[1-4]。但SF6气体绝缘设备在安装、运行、调试和检修过程中,不可避免地会有SF6气体泄漏到大气中。然而,SF6是一种温室效应极强的气体,其温室效应是CO2的23 900倍,是CH4的1 140倍[5-6],并且在大气中极难降解。随着《巴黎协定》的签署,为了实现在21世纪后半叶温室气体的净零排放目标,采用电气性能和优良的气体替代SF6,已成为电力工业亟待解决的问题。
从20世纪70年代开始,各国学者就开始了新型SF6环保型代气体的研究,并发现C3F7CN、C5F10O、C6F12O和CF3I等环保气体具有良好的绝缘性能,在一定程度上可替代SF6[7-13]。其中,电负性气体CF3I因具有稳定、绝缘能力强、热传导和灭弧水平接近SF6等突出优势,受到了广泛的关注[14-15]。但CF3I会在局部放电(Partial Discharge,PD)情况下发生分解,并进一步与气室中不可避免存在的微量H2O和微量O2反应,生成C2F6、I2、C2F5I、HF、C2F4和CH3I等[16-18]。其中,C2F6的含量最多,CH3I则在放电达到一定程度时才会产生[16]。一方面这些分解产物含量过多会降低气体绝缘设备的绝缘水平;另一方面它们也能有效反映PD程度和故障情况。因此,有必要对典型PD产物含量进行监测。
由于基于单壁碳纳米管(Single Walled Carbon Nanotube, SWCNT)的气敏传感器具有响应好、体积小和灵敏度高等突出优点,近年来被广泛关注。此外,通过在其表面修饰过渡金属,SWCNT的气敏特性将在原有基础上显著提高。其中,掺杂对分子具有较高催化活性的Pt可实现对某些不常见气体的检测[19-24]。Cui Hao等学者通过仿真发现,由于吸附材料与目标气体之间存在较强的轨道相互作用和化学吸附,在表面修饰有Pt、Pd和Rh的SWCNT对SOF2、CO、CH4和H2S具有良好的气敏特性[25-27]。M.Yoosefian[28]则研究了SO2在Pt和Au掺杂的(5, 5)SWCNT上的吸附特性,并发现SO2在Pt-SWCNT上的吸附能隙比在Au-SWCNT上的变化更大。
为此,本文基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT),探究了C2F6和CH3I两种典型CF3I的PD分解产物在Pt修饰(8, 0) SWCNT上的吸附参数、态密度和前沿分子轨道等吸附特性,为环保型气体CF3I在气体绝缘设备中的最终运用和监测提供理论依据。
本研究采用Dmol3量子化学模块进行DFT计算[29]。采用广义密度近似方法(Generalized Gradient Approximation, GGA)的Perdew-Burke-Ernzerho(PBE)函数处理电子交换关联作用[30]。采用双数值p极化(Double Numerical plus Polarization, DNP)作为原子轨道基组。最大原子位移、能量收敛精度、能量梯度和轨道拖尾效应分别设置为5×10-3Å(1Å=10-10m)、1.0×10-5Ha(1Ha=27.211eV)、0.002Ha/Å和0.005Ha[31]。此外,为保证总能量的计算精度,自洽场误差和全球轨道截止半径选为1.0×10−6Ha和5.0Å[32]。布里渊k点网格空间设置为1×1×8[33]。使用DFT-D(Tkatchenk and Scheffler, TS)方法处理色散力[34]。吸附过程中的电荷转移量 TQ通过Mulliken法获得[35]。若电荷转移量 TQ>0,表示电子从气体分子转移到Pt-SWCNT表面;反之,若电荷转移量TQ<0,则表示电子从Pt-SWCNT表面转移到气体分子。此外,定义吸附能Eg为
式中,Egas为单个气体分子的所具有能量;EPt-SWCNT为未吸附气体分子时的本征Pt-SWCNT的能量;Egas/Pt-SWCNT为气体分子吸附在Pt-SWCNT表面后的总的能量。若Eg>0,则代表该吸附过程中,整个体系从外界吸附能量;反之,若Eg<0,则代表该吸附过程中,整个体系向外界释放能量。
在进行吸附计算前,本研究首先优化了CH3I、C2F6和Pt-SWCNT的结构。其中,选择具有20Å×20Å×8.5Å的超胞作为Pt掺杂(8,0)SWCNT的纳米载体。Pt原子则与SWCNT上两个相邻的C原子同时相连,在SWCNT外形成桥位[35]。Pt掺杂后并未改变SWCNT的结构,C-C键键长仍保持为1.439Å,而Pt-C键键长为2.265Å,如图1所示。Pt掺杂前后的总态密度(Total Density of State,TDOS)如图2所示。Pt掺杂后,在费米能级左面的-1.25~-0.5eV范围内出现了一个波峰,这主要由掺杂的Pt原子所贡献。同时,在掺杂过程中,Pt向SWCNT转移了0.200e电子。优化后的C2F6分子和CH3I分子如图3所示。C2F6分子中C-C键和C-F键的键长分别为1.560Å和1.348Å;F-C-F和F-C-C的键角分别为109.037°和109.894°。对于CH3I分子,C-H键和C-I键的键长分别为1.092Å和2.187Å;H-C-H和H-C-I的键角则分别为111.664°和107.185°。
图1 Pt掺杂SWCNT优化结构
Fig.1 The optimized structure of Pt-doped SWCNT
图2 Pt掺杂SWCNT前后的总态密度
Fig.2 The TDOS of Pt-SWCNT and intrinsic SWCNT
图3 气体分子优化结构
Fig.3 The optimized structure of gas molecules
C2F6分子和CH3I分子分别吸附在Pt-SWCNT表面的最优化结构如图4和图5所示,吸附能等吸附参数见表1。由于C2F6分子呈轴对称及两端对称性,仅考虑一种初始吸附结构,即C2F6分子的一个F原子靠近Pt原子。由图4优化后的C2F6分子吸附于Pt-SWCNT表面的最优结构可知,该体系的吸附能为0.223eV,即在吸附过程中整个体系会吸收0.223eV的能量。吸附距离为2.769Å,且在吸附过程中有0.016e的电子从C2F6分子转移到Pt-SWCNT表面。此外,Pt-SWCNT和C2F6分子的键长键角在吸附后也未发生变化。考虑到较小的吸附能和电荷转移量,可以认为Pt-SWCNT和C2F6分子之间的相互作用较弱。
表1 C2F6分子和CH3I分子在Pt-SWCNT表面上的吸附参数
Tab.1 Adsorption parameters of C2F6 and CH3I molecules on the surface of Pt-SWCNT
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图4 C2F6吸附在Pt-SWCNT表面的最优结构示意图Fig.4 The optimized configuration of C2F6 adsorbed on the surface of Pt-SWCNT
图5 CH3I吸附在Pt-SWCNT表面的最优结构示意图
Fig.5 The optimized configuration of CH3I adsorbed on the surface of Pt-SWCNT
对于呈轴对称的CH3I分子,本文考虑了两种初始吸附结构:一种为CH3I分子的一个H原子靠近Pt原子(简写为CH3I-H);另一种为CH3I分子的I原子靠近Pt原子(简写为CH3I-I)。由图5优化后的C2F6分子吸附于Pt-SWCNT表面的最优结构可知,对于CH3I-H吸附结构,该体系在吸附过程中吸收了0.132eV能量,吸附距离为2.275Å,同时在吸附过程中有0.070e的电子从CH3I分子转移到Pt-SWCNT表面上。吸附后的Pt-SWCNT和CH3I分子的结构(键长和键角)未发生改变。对于CH3I-I吸附结构,其中一个Pt-C键断裂并与CH3I分子的I原子形成键长为2.728Å的Pt-I键。但相较于吸附前的CH3I分子,吸附后的CH3I分子结构并未发生显著变化。与此同时,该体系的吸附能远远大于CH3I-H吸附结构的吸附能,达到了0.772eV,并有0.192e的电子在Pt-I键的成键过程中从CH3I分子转移到Pt-SWCNT表面。
C2F6分子吸附体系的TDOS和分波态密度(Partial Density of State, PDOS)如图6所示。其中,“Pt-SWCNT”代表未吸附气体分子的本征Pt-SWCNT的TDOS,“C2F6吸附”则代表C2F6在Pt-SWCNT表面达到稳定状态时整个体系的TDOS。由图6可知,相较于本征Pt-SWCNT,吸附C2F6后的TDOS在-16eV、-13 eV、-11.5 eV、-10.5 eV和-6eV处显著增大,但在费米能级处的TDOS变化很小。此外,根据PDOS可知,Pt-SWCNT吸附C2F6分子后,Pt原子的5d轨道和C2F6分子中C和F原子的2p轨道的重合区较小,这进一步表明Pt-SWCNT和C2F6分子间的相互作用可能较弱。
图6 C2F6在Pt-SWCNT表面的稳定体系的态密度
Fig.6 The density of states of C2F6 absorbed on the surface of Pt-SWCNT
CH3I分子吸附体系的TDOS和PDOS如图7和图8所示。由图7可知,对于CH3I-H吸附结构,吸附CH3I分子后,整个体系的TDOS与本征Pt-SWCNT的差异并不显著;吸附CH3I分子后的PDOS,Pt原子的5d轨道仅与CH3I分子中I原子的5p轨道在-1.25eV处有一定的重叠,吸附前后体系的导电性变化不大。由图8可知,相较于本征Pt-SWCNT的TDOS,CH3I-I的稳定体系的TDOS发生显著变化,带隙和费米能级处的TDOS也明显减小。在-3.75~-2.0eV处,CH3I中I原子的5p轨道和Pt-SWCNT中Pt原子的5d轨道面积有一定的重叠。这表示Pt-SWCNT材料按CH3I-I吸附结构吸附CH3I分子后的导电性有所增强。
图7 CH3I-H的稳定体系的态密度
Fig.7 The density of states of CH3I-H
图8 CH3I-I的稳定体系的态密度
Fig.8 The density of states of CH3I-I
基于前沿分子轨道理论,本文得到了本征Pt-SWCNT表面、C2F6分子吸附体系及CH3I分子吸附体系的最高占据轨道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)和最低未占据轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital,LUMO)的能量数值及分布,如图9~图11所示。其中能隙Ea=LUMOHOMO。在本征Pt-SWCNT中,LUMO和HOMO分别为-4.377eV和-5.083eV,能隙为0.706eV。在C2F6吸附于Pt-SWCNT表面后,该体系的LUMO和HOMO分别变为-4.335eV和-5.048eV,均略大于本征Pt-SWCNT的;而该体系能隙仅略微增大至0.713eV;此外,LUMO和HOMO未发生明显的变化。在CH3I分子吸附于Pt-SWCNT表面后的LUMO和HOMO则如图11所示。对于CH3I-H吸附结构,吸附CH3I分子后体系的LUMO、HOMO和能隙分别为-4.434eV、-5.151eV和0.717eV。LUMO和HOMO均略小于本征Pt-SWCNT的,但能隙略微大于本征Pt-SWCNT的;此外,LUMO和HOMO的分布在吸附前后也未发生明显的变化。对于CH3I-I吸附结构,吸附CH3I分子后体系的LUMO、HOMO和能隙分别为-4.557eV、-5.002eV和0.445eV,能隙在吸附后减小了0.261eV,并且HOMO基本分布于Pt原子和CH3I分子上。若能隙变大,表示体系的导电性变弱,而能隙变小则体系的导电性会变强[36]。因此,在宏观上,按CH3I-I吸附结构吸附CH3I分子后的Pt-SWCNT的导电性可能会显著增大;吸附C2F6分子后的Pt-SWCNT和按CH3I-H吸附结构吸附CH3I分子后的Pt-SWCNT的导电性均可能会发生略微的减小。
图9 Pt-SWCNT的HOMO和LUMO分布及能量
Fig.9 HOMO and LUMO distribution and relative energies for Pt-SWCNT
图10 C2F6吸附体系的HOMO和LUMO分布及能量
Fig.10 HOMO and LUMO distribution and relative energies of C2F6 adsorbed on Pt-SWCNT
图11 CH3I吸附体系的HOMO和LUMO分布及能量
Fig.11 HOMO and LUMO distribution and relative energies of CH3I adsorbed on Pt-SWCNT
本文基于DFT,研究了C2F6和CH3I两种典型CF3I PD分解产物在Pt-SWCNT上的吸附特征参数具体结论如下:
1)Pt-SWCNT和C2F6分子间的吸附能及电荷转移量均很小,并且Pt-SWCNT在C2F6分子吸附前后的态密度、LUMO、HOMO及能隙变化并不明显,表明Pt-SWCNT和C2F6分子之间相互作用很弱,Pt-SWCNT并不适用于检测C2F6气体。
2)对于CH3I,本文考虑了两种初始吸附结构,综合分析吸附参数、态密度和前沿分子轨道,Pt-SWCNT更可能按CH3I-I吸附结构吸附CH3I分子。此外,Pt-SWCNT和CH3I分子之间有着较强的相互作用,并且该吸附以化学吸附为主。由于吸附CH3I后能隙减小了0.261eV,使得Pt-SWCNT的导电性的增加,可认为Pt-SWCNT对CH3I有着较好的气敏特性。
简而言之,Pt-SWCNT可用于检测CH3I气体,但对C2F6的气敏特性较差。这为环保型气体CF3I在气体绝缘设备中的监测提供理论依据。
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Adsorption Behavior of Typical Decomposition Components of New Environmental Protection Gas CF3I on Single Walled Carbon Nanotube Doped With Pt
曹政钦 男,1989年生,博士,讲师,研究方向为电气设备绝缘状态检测及诊断。E-mail:caozhengqin@vip.sina.com
魏 钢 男,1976年生,博士,教授,研究方向为电气设备绝缘状态检测及诊断。E-mail:eecqweig@163.com(通信作者)