油浸式電力變壓器油中溶解氣體的檢測(cè)對(duì)于變壓器早期故障診斷和保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定*關(guān)重要。乙炔是主要的故障特征氣體之一，為實(shí)現(xiàn)其含量的檢測(cè)并為變壓器絕緣故障類型和嚴(yán)重程度提供決策依據(jù)，采用水熱法結(jié)合層層自組裝技術(shù)制備了納米銀及氧化錫修飾石墨烯(Ag@SnO2/rGO)薄膜傳感器，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射儀（XRD）對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，開展了乙炔氣體的敏感特性實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：納米銀及氧化錫修飾石墨烯薄膜傳感器在較低的工作溫度下對(duì)乙炔氣體具有較好的靈敏度，且該傳感器具有良好的響應(yīng)–恢復(fù)特性、重復(fù)穩(wěn)定性、選擇性和低檢測(cè)限。該研究可為變壓器故障氣體快速檢測(cè)及故障診斷提供重要指導(dǎo)。

乙炔是區(qū)分油浸變壓器過熱性和放電性故障的標(biāo)志性氣體，其含量對(duì)判斷電力變壓器內(nèi)絕緣故障類型和嚴(yán)重程度具有重要意義[1-2]。變壓器油中溶解的乙炔氣體體積分?jǐn)?shù)及氣體產(chǎn)生速率與油浸變壓器故障類型具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此可以根據(jù)油中分離出的乙炔氣體狀態(tài)變化(包括氣體體積分?jǐn)?shù)、氣體產(chǎn)生速率等)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的絕緣狀況或診斷其潛伏性故障類型[當(dāng)前，對(duì)變壓器故障氣體進(jìn)行在線檢測(cè)的方法主要包括氣相色譜法[6]、紅外光譜吸收法[7]、聲光譜法[8-9]和氣敏傳感器法等[10]。其中納米金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)氣敏傳感器因其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、易集成等優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛應(yīng)用。李艷瓊等通過水熱法合成了多種單維度納米二氧化錫材料，并結(jié)合旁熱式氣敏傳感基底，研究了多種傳感器元件對(duì)乙炔氣體的氣敏響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，不同形貌的二氧化錫氣敏傳感器對(duì)乙炔氣體表現(xiàn)出了不同的敏感特性，其中花狀納米二氧化錫在360 ℃溫度條件下對(duì)乙炔表現(xiàn)出*佳的氣敏特性，對(duì)體積分?jǐn)?shù)為10?4 的乙炔氣體靈敏度為38%，響應(yīng)–恢復(fù)時(shí)間也較快[10]。但由于存在交叉敏感、傳感器漂移、加熱功耗大等諸多問題，所以單純的MOS 氣敏傳感器在多組分氣體檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的局限性。隨著新型碳基納米材料的發(fā)現(xiàn)及制備工藝的逐漸成熟，微型化、高性能、低成本氣敏傳感元件的制備成為可能，也為變壓器故障特征氣體的檢測(cè)研究提供了一種新方法。張曉星教授研制了用于檢測(cè)SF6 局部放電的多壁碳納米管薄膜傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器對(duì)SF6 氣體分解組分吸附能力強(qiáng)，表現(xiàn)出良好的靈敏度和快速響應(yīng)特性[11]。Schedin F 等將石墨烯應(yīng)用于氣體分子檢測(cè)中，證實(shí)了石墨烯的電荷載體密度會(huì)隨著表面氣體分子的吸附或脫附而發(fā)生改變，從而掀開了石墨烯及其衍生物氣敏傳感器的研究序幕[12]。目前，已有很多文獻(xiàn)報(bào)道了石墨烯及其衍生物(氧化石墨烯GO、還原氧化石墨烯rGO)在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用。。張敏等采用在常溫下利用一步還原氧化石墨烯的方法制備了以石墨烯/Pd 為敏感薄膜的甲醛傳感器[13]；Ali E 等采用水熱法制備了以Pd–WO3 與部分還原氧化石墨烯(PrGO)為敏感薄膜的H2 傳感器[14]；BaiS L 等通過原位一步微波水熱法成功制備出氧化鉬/還原氧化石墨烯(MoO3/rGO)復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)證明在110 ℃溫度下MoO3/rGO（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）敏感薄膜對(duì)H2S 具有優(yōu)異的敏感性能[15]；Gu F B 等成功制備了In2O3–rGO 納米復(fù)合材料并制作傳感器，并驗(yàn)證了該傳感器對(duì)二氧化氮?dú)怏w具有良好的氣敏性能[16]；Uddin A S M I 等成功制備了表面覆蓋納米銀的ZnO–rGO 薄膜傳感器，并將其用于乙炔氣體的檢測(cè)研究中[二氧化錫（SnO2）是一種重要的氧化物半導(dǎo)體材料，作為良好的氣敏材料被廣泛用于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，但其電化學(xué)性能依賴于較高的工作溫度[18]。而金屬銀具有很好的氣敏催化作用，可提升氣體檢測(cè)性能[19]。為實(shí)現(xiàn)變壓器油中溶解氣體乙炔含量的高性能檢測(cè)，本文采用水熱法結(jié)合層層自組裝技術(shù)在叉指電極器件上制備了一種納米銀及氧化錫修飾石墨烯（Ag@SnO2/rGO）薄膜傳感器，然后采用掃描電子顯微鏡和X–射線衍射儀對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并通過實(shí)驗(yàn)研究了該傳感器對(duì)乙炔氣體的敏感特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

實(shí)驗(yàn)中所用的氧化石墨烯(GO)采用Hummers法制備，含有多種含氧官能團(tuán)(羧基、羥基、環(huán)氧基等)，微片直徑范圍為2~5 μm，厚度范圍為0.55~1.2nm。納米氧化錫則是采用水熱法，以質(zhì)量為24 mg的SnCl4·5H2O 為前驅(qū)物，在120 ℃的恒溫恒壓條件下加熱12 h 時(shí)間制備而成的[20]。實(shí)驗(yàn)過程中所用到的聚陽離子溶液為聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液(PDDA)，聚陰離子溶液為聚4–苯乙烯磺酸溶液(PSS)。

1.2 氣敏傳感器制作

氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在襯底上采用濺射、光刻及蝕刻等工藝制備有叉指回形Cu/Ni 金屬電極。電極線寬和間隙寬度均為200 μm，厚度為20 μm。氣敏傳感器敏感薄膜采用層層自組裝工藝進(jìn)行制備而成。在叉指電極上進(jìn)行前導(dǎo)層(PDDA/PSS)2 組裝之后，采用納米金屬氧化物代替聚陽離子，GO 代替聚陰離子依次進(jìn)行靜電誘導(dǎo)自組裝。具體過程如下：首先將叉指器件浸入到PDDA水溶液中10 min 時(shí)間，再用去離子水輕輕洗滌并用氮?dú)獯蹈桑S后再將叉指器件放入PSS 溶液中10min 時(shí)間，取出后同樣進(jìn)行去離子水洗滌與干燥處理。重復(fù)進(jìn)行1 次該過程，即得到自組裝完成的(PDDA/PSS)2 前導(dǎo)層。前導(dǎo)層組裝完畢后，將叉指器件依次浸入納米二氧化錫溶液及氧化石墨烯水溶液中各15 min 時(shí)間進(jìn)行自組裝，循環(huán)5 次，然后用去離子水洗滌并在氮?dú)庵懈稍锾幚淼玫奖∧鞲衅鳌榱嗽鰪?qiáng)氣敏傳感器的靈敏度，實(shí)驗(yàn)中在自組裝薄膜表面采用浸漬法沉積了1 層活性納米銀粒子，得到Ag@SnO2/rGO 薄膜傳感器。然后將該傳感器置于加熱箱中在200 ℃的高溫環(huán)境下加熱4 h時(shí)間對(duì)GO 熱還原，即可完成Ag@SnO2/rGO 薄膜傳感器的制備。

結(jié)論

1）采用水熱法結(jié)合層層自組裝技術(shù)在叉指電極襯底上制備了Ag@SnO2/rGO 薄膜傳感器，并采用SEM 和XRD 等技術(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，表征結(jié)果證實(shí)了該薄膜材料的成功制備。2）開展了乙炔氣體的敏感特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該傳感器在90 ℃溫度下對(duì)乙炔氣體的氣敏性能*佳，而且展示了良好的響應(yīng)–恢復(fù)特性、重復(fù)穩(wěn)定性及選擇性。3）Ag@SnO2/rGO 薄膜傳感器具有優(yōu)異的乙炔