金属卤化物范文

金属卤化物范文（精选10篇）

金属卤化物 第1篇

金属卤化物灯是一种高效的高压气体放电灯, 当外加足够高的直流电压, 电压加在两个主电极之间, 由于主电极电极间距离太远, 不能发生放电, 然而同样的电压也加在辅助电极和相邻主电极间, 由于它们之间距离很近, 所以有很强的电场, 足以击穿气体, 产生辉光放电。其灯光频谱十分接近太阳光频谱, 是替代自然光最理想的电光源。金属卤化物灯与其它高强度放电灯类似, 金卤灯具有负增量阻抗的电气特性, 在电网与灯之间需要插入一个镇流器限制电流才能稳定工作。

高中金属的氧化物知识点 第2篇

(一)、铁

1.铁与水蒸气的反应：可能设计成探究实验，探究产物等。

2.铁的生锈：纯铁不易生锈，生铁放在潮湿的环境中易生锈，原理是发生电化学腐蚀，涉及的主要反应原理：Fe-2e-=Fe2+(负极),2H2O+O2+4e-=4OH-(正极),

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3, 2Fe(OH)3.xH2O =Fe2O3.nH2O+(2x-n)H2O

3.铁与氯气、盐酸反应：产物分别为FeCl2 、FeCl3，且它们之间的相互转化，在推断题和实验题的除杂中经常出现。

(二)、氧化物

1.铁的氧化物成分：废铁屑的主要成分Fe2O3;铁锈的主要成分为Fe2O3.nH2O;黑色晶体、磁性氧化铁为Fe3O4;红棕色粉未，俗称铁红，作红色油漆和涂料的为Fe2O3，赤铁矿的主要成分为Fe2O3，它是炼铁的原料。铁在氧气燃烧与铁与水蒸气反应的产物都是Fe3O4。以上知识，往往容易出现在推断题和实验题中。

(三)、氢氧化物

1.实验室制备Fe(OH)2 ：现象：白色沉淀→灰绿色→红褐色沉淀。命题角度为：为较长时间的看到Fe(OH)2白色沉淀，采取的防护措施：一是煮沸，二是将胶头滴管插入液面以下，三是加一层油膜，如苯、汽油等。

2.Fe(OH)3的受热分解：2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O，与此相以的还有Cu(OH)2、Al(OH)3。

3.氢氧化铁胶体的制备：因其具有独特性，制备胶体的过程和对应的方程式是高考的重点与热点。实验操作要点：四步曲：①先煮沸，②加入饱和的FeCl3溶液，③再煮沸至红褐色，④停止加热。对应的离子方程式为Fe3++3H2O=Fe(OH)3(胶体)+3H+，强调之一是用等号，强调之二是标明胶体而不是沉淀，强调之三是加热。

(四)、铁盐与亚铁盐

1.Fe2+、Fe3+的检验：

(1)Fe2+：一是碱液法：先生成白色沉淀，又迅速转变成灰绿色，最后变成红褐色沉淀

二是先加入KSCN溶液，不变色，再加入氯水后，出现血红色。(注意：此处不用高锰酸钾溶液氧化，因其具有紫色)

(2)Fe3+：一碱液法：加入碱液，出现红褐色沉淀。

二是加入KSCN溶液，出现血红色，离子方程式为：Fe3++3SCN-=Fe(SCN)3(络合物)

2.铁盐与亚铁盐的配制：因Fe2+、Fe3+易水解，且Fe2+易被空气中的氧气氧化，故配制过程为：先将它们溶解在对应的酸中，然后加水冲稀到指定的浓度。(注意：配制亚铁盐溶液时，要加入少量的铁粉，以防止Fe2+的氧化)

3.制印刷电路板常用FeCl3作腐蚀液：一是离子方程式的书写正误(违反电荷守恒定律)，二是利用此反应式设计成原电池，考查原电池原理的应用。

4.离子共存：不能与Fe2+共存的离子：(H+、NO3-)、(MnO4-)、(ClO-);不能与Fe3+共存的离子有：I-、SO32-、SCN-。主要是对Fe2+的还原性、Fe3+的氧化性的考查，此点是离子共存问题和实验题的常见命题点。

5.Na2FeO4(高铁酸钠)作新型净水剂：原理是高价铁具有强氧化性，能杀菌消毒;同时生成Fe(OH)3胶体，能吸附水中的杂质悬浮物，因此它是一种新型的净水剂.

6.Fe2+、Fe3+、Cu2+、Al3+的除杂：这是近几年高考实验命题的热点。原理是利用Fe3+、Cu2+、Al3+水解完全生成沉淀所需的PH范围不同。一般操作方法是：先是加入氧化剂(氯气或H2O2)，将Fe2+氧化成Fe3+，然后加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3等其他物质(以不引入杂质离子为准)，目的是调节溶液的PH，待Fe3+水解完全生成沉淀(此时其他离子不水解)，过滤除去。

金属卤化物 第3篇

【关键词】金属氧化物避雷器;在线监测系统;重要探究

避雷器，主要是用来保护雷电产生过电压波按照线路侵入配电所或者其它建筑内，防止其威胁到受保护设施的绝缘。在实际应用过程中，避雷器通常都和被保护的设施进行并联，并且在被保护的设施电源一侧。如果线路发生威胁设施绝缘过电压时，避雷器火花间隙便会被击穿，或者由高阻值转变为低阻值，使过电压释放到地面当中，最终保护相关设施。现今较为常用的避雷器主要是金属氧化物避雷器，这是一种无火花间隙的新型避雷器。在工频电压状态下，这种避雷器能够表现出很大的电阻值，并能够极快遏制工频续流，所以不再需要火花间隙便能够熄灭掉电弧。当处于过电压状态时，它便会呈现出很小的电阻值，如此一来便释放了雷电流，然而，将其应用于电力系统中，却也存在着诸多问题。以下笔者将结合多年实践经验，针对金属氧化物避雷器在线监测系统进行探究。

一、金属氧化物避雷器在线监测的前景

将来发展主要是，在总监控室内部，总监控系统将统一对各子监测系统进行管理，并且根据实际需要循环读取每个被监测设施的信息，综合多个状态监测量，智能化分析、诊断出每一被监测设施的运行状况，凭借友好的人机界面向用户展示出相关信息，最终通过因特网再把有关信息传输至上一级监测中心，当前国产金属氧化物避雷器在线监测系统仍旧处在不成熟的初级监测阶段，和上面所阐述的前景存在着较大的差距以及发展空间。伴随智能电网建设的快速发展，各种在线监测系统的大集成以及大融合最后形成智能、综合诊断系统，成为了将来在线监测系统发展的一个必然潮流。

二、金属氧化物避雷器监测的基本原理

金属氧化物所承受的电网电压含有谐波电压，并且闸片等效电路内等效电容拥有良好的线性度，流经等效电阻的电流等于电网电压和等效电阻的比值。基于等效电阻为非线性，因此阻性电流内将包含各次谐波电压。

在电网电压处于理想状态下时，氧化锌闸片有功损耗只和阻性电流内的基波阻性电流有关联，因而阻性电流基波分量所出现的有功损耗其实才是氧化锌闸片出现发热以及老化的原因。

从上述分析来看，若电网电压包含谐波电压分量，金属氧化物避雷器老化以及发热的是由阻性电流出现有功损耗导致的。在电网电压处于理想状态下时，金属氧化物避雷器老化、发热则是由基波阻性电流有功损耗造成的。通常情况下，金属氧化物避雷器老化及发热主要表现为其阻性电流的增大，因此若想了解金属氧化物避雷器老化和发热状况，一种较好的方式就是测量其阻性电流。所以，阻性电流内基波分量便是判断金属氧化物避雷器老化、发热的重要参考。

三、金属氧化物避雷器在线监测系统整体方案的设计

在金属氧化物避雷器在线监测系统中，拥有2台金属氧化物避雷器在线监测仪器，其中三相母线电压均为110kV。首先，经过变压器将电压转变为57.7V，在送至电压互感器，从电压互感器出来的电压值为0.5V。把电流传感器直接串联在金属氧化物避雷器的下方，能够获得全电流信号，其中电流传感器的变比为1.500.然后把所得到的电压信号以及电流信号送至金属氧化物避雷器在线监测仪器，测量出全电流、阻性电流、环境温湿度、金属氧化物避雷器动作次数等数据，并作出保存、显示、故障判断以及报警，直到上位机召唤数据。其中一台金属氧化物避雷器在线监测仪器经过485接口把485总线接至GPRS DTU，利用无线网络把数据发送至公司，而另外一台金属氧化物避雷器在线监测仪器经过485接口把RS-485总线利用电平转换连接至监控室。

（一）选用测量方法

经过分析金属氧化物避雷器在线监测方法，发现总泄露电流法存在灵敏度较差、测量结果不精确等问题;而补偿方法又极易受到相间作用的影响。因此，笔者在此运用了基波阻性电流法测量出阻性电流，此方法可以从阻性电流内区分出阻性电流的基波分量，基波电流分量大体上能够准确体现出氧化锌避雷器的具体运行状况，可以有效防止电网内谐波分量所产生的影响，同时还可以排除相间干扰对于测量结果的影响。

（二）数据传输方式

1.有线数据传输方式

这一方式包括双绞线方式、光纤方式以及同轴电缆方式等等。运用双绞线进行通讯通常都是总线结构，例如，RS-442和RS485均为此类总线结构。文章中所提到的均为RS-485标准，其具体特点为：

A.电气特点。逻辑“0”表示两线之间电位差是-2V至-6V，逻辑“1”表示两线之间电位差是2V至6V。并且接口信号电平电位差低于RS-238，这样一来便难以损害接口电路中的芯片，并且这类电平便于连接TTL电平。

B.RS-485接口总线最多能连接128各收发器，如此一来用户就能通过单一RS-485接口建立设施网络。

C.RS-485所需2个终端电阻，并且阻止应和传输电缆的特性阻抗相等。

2.无线数据传输方式

通用分组无线业务（英文简称为GPRS），这是一种介于第二代和第三代间的技术种类，一般情况下称为2.5G，主要通过GSM网来实现传输。 通用分组无线业务拥有诸多优势，如按量计费、实时在线、登录快捷、传输高效等等。用户设施通过两种连接方法连接到通用分组无线业务终端，通用分组无线业务终端能够和GSM基站进行通讯，然后和SGSN以及GPRS网关支持节点间应用GPT进行通讯，最终由SGSN传输至移动台。

四、结语

综上所述，金属氧化物避雷器是电力系统过电压保护的主要装置，并且其性能状况将会对电力系统运行发挥着极其重要的作用，因此针对金属氧化物避雷器实施在线监测，以此充分了解其运行状况，及时发现避雷器所出现的异常行为以及事故问题具有必要性。此外，针对金属氧化物避雷器实施在线监测通常是监测其阻性的电流变化，最终保证整个电力系统能够安全、稳定运行。

参考文献

[1]朱星宇，邓世建，柏科.金属氧化物避雷器监测与诊断技术分析[A].第十六届全国煤炭自动化学术年会、中国煤炭学会自动化专业委员会学术会议论文集[C].2006.

[2]周龙，陈继东，文远芳，詹琼华.金属氧化物避雷器检测与诊断技术中的信号处理方法分析[J].电瓷避雷器，2009（04）.

[3]王保山，陈国强，汤霖，张志伟，熊易，张曦，左中秋，陈立，贾锦朝.交流特高压避雷器用监测器动作特性研究[J].高电压技术，2008（11）.

[4]王全明，王练，李凡，苏淼.基于Labview虚拟仪器的氧化锌电阻片自动交流老化试验系统[J].电瓷避雷器，2006（06）.

金属卤化物 第4篇

高效低成本太阳电池是太阳能技术研究的前沿,受到全世界的关注与重视。2013年以来,以钙钛矿相有机金属卤化物(CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I))作为吸光材料的薄膜太阳电池(简称钙钛矿太阳电池(Organometal halide perovskites solar cells,PSCs))因其兼具较高的光电转换效率和潜在极低的制备成本等优点引起学术界的高度关注,相关主题SCI发文量、引文量以及参与研究的国家和机构数量呈现爆发式增长态势,截至检索日该领域总发文量已达到331篇,其中2014年较2013年增长了6倍之多(图1)。虽然,PSCs研究历史很短,但其光电转换效率上升速度却十分惊人,2009年才首次制成PSCs,在短短5年时间里 效率已迅 速达到20.1%,超过了非晶硅、染料敏化、有机太阳电池等新一代薄膜电池历经10多年研究的成果[1], 成为最快突破20% 转换效率的太阳电池类型 ( 图2 )。 这一效率的演变使得PSCs被Science评为2013年十大科学突破之一[2], 年仅35岁的牛津大学青年科学家Henry J.Snaith因其在PSCs上的突出成就也被Nature评为2013年十大科学人物之一[3]。 在美 、 欧等国已涌现了多家创新企业 ( 包括由科学家创立的 ) 致力于PSCs的产业化研究 。

1钙钛矿太阳电池结构及工作原理

PSCs是在染料敏化 太阳电池 的器件结 构上发展 起来的,其结构如图3(a)所示。通常,PSCs的负极由导电基底 (Fluorine-doped tin oxide,FTO)上的多孔二氧化钛(TiO2) 膜构成,起着骨架作用以填充钙钛矿吸光材料,从而实现电子从钙钛矿到TiO2的快速注入;作为吸光层的有机金属卤化物一般为CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)(结构如图3(b)、 (c)所示)等,起着吸收光、光电转换、传输电子和空穴到对应的界面的作用;空穴传输层一般为固态的有机空穴传输材料 (Hole transport material,HTM);对电极通常采用金、银、碳等薄膜。通常为了防止电荷复合,在多孔TiO2薄膜与导电FTO之间加一层致密的TiO2薄膜。

以TiO2基PSCs为例,其工作原理为[4]:

(1)在光照下,钙钛矿吸光材料受光激发,产生电子-空穴对:

(2)在势垒作用下,电子-空穴对迅速发生分离,电子注入到TiO2导带中,留下空穴:

(3)空穴被空穴传输材料(HTM)提取,变成氧化态,留下自由电子:

(4)注入到TiO2中的电子在其与导电基底(FTO)界面富集,在势垒作用下,迅速转移到导电基底,并通过外电路流向对电极,对电极将电子传输给氧化态的HTM,使其回到基态,从而形成了电流。而此时,激发态的吸光材料由于其本身将电子、空穴传给TiO2和HTM而留下了自由移动的电子及空穴,自由电子扩散至空穴处,与之复合,将吸光材料还原到基态,从而完成了一个电路循环:

(5)然而,钙钛矿吸光材料受光激发产生的电子-空穴对并不能全部用于产生电流,一部分会促使材料本身发出荧光或以热辐射形式损失掉:

(6)此外,TiO2导带中的电子会在其与吸光材料的界面与空穴复合:

(7)HTM中的空穴在HTM与吸光材料的界面上与自由电子复合而损失:

(8)由于实际上钙钛矿材料并不能完全覆盖TiO2,在将HTM沉积到PSCs结构中时,会有一部分HTM与TiO2直接接触,因此在它们的界面也会产生电荷复合:

其中,过程(5)- (8)由于电荷 复合会形 成暗电流,对PSCs的光电转换效率产生不利影响。

2国外研究进展

2.1发展历程

PSCs发展历史仅有短短5年时间,这一期间的里程碑式工作包括:日本桐荫横浜大学宫坂力(Tsutomu Miyasaka) 在2009年率先通过将薄薄的一层钙钛矿(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)当作吸光层应用于染料敏化太阳电池,制造出了PSCs,由于钙钛矿吸光层在液态电解质中稳定性较差, 最高光电转换率仅为3.8%[5]。后来研究人员陆续深入开展了传输机理基础研究以及从界面工程、制备工艺及材料等方面继续改进,2011年韩国成均馆大学Park Nam-Gyu课题组优化了TiO2表面和钙钛矿的制作工艺,将PSCs效率提高到6.5%[6]。2012年牛津大学Snaith课题组提出了“介孔超结构太阳电池”的概念,用绝缘Al2O3替代TiO2作为钙钛矿吸光材料的骨架,用固态空穴传输材料替代传统液体电解液, PSCs效率首次突破10%,达到10.9%[7]。2013年瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grtzel课题组和牛津大学Snaith课题组分别利用两步顺序沉积新工艺和简单气相法制备平面异质结结构,将PSCs效率提高到15%和15.4%[8,9]。而到2014年底韩国化学技术研究所Sang Il Seok课题组已将转换效率迅速提高至20.1%。瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grtzel、牛津大学Henry Snaith、韩国成均馆大学Nam-Gyu Park和韩国化学技术研究所Sang Il Seok等课题组所做工作具有极高影响力,目前在PSCs研究领域处于领先地位。 科学家认为这种电池还有改进的空间,其与硅基电池构成叠层电池,效率可达到30%以上[10]。

目前,PSCs的研究重点主要有4个方面:(1)工作机制研究,包括光生载流子产生机理、高效能量转换机理与制约因素、电子/空穴输运通道与机理、界面作用探讨等;(2)新材料开发,包括寻找替代铅元素的吸光材料,低成本电子/空穴传输材料等;(3)开发原料利用率高、过程简单可控、可以大面积制备吸光层的温和条件制备工艺;(4)提高器件稳定性和寿命。目前所报道的PSCs稳定性都是在实验室条件下测试的,没有考虑到外界自然环境的影响。研究和解决这些问题,将会加速PSCs实际应用的步伐,在太阳能行业引发新的革命。

2.2工作机制研究

理解PSCs光诱导电荷转移、载流子输运和复合等工作机制,对于指导下一步开发更高转换效率的PSCs至关重要, 目前关于钙钛矿材料强吸光能力的微观机理、光生载流子产生机理、高效能量转换的主导机理以及电子/空穴输运通道与机理等关键科学问题的探讨尚存在争议。Grtzel课题组在2013年利用飞秒瞬态吸收光谱测量技术,首次发现在较低温度 液相合成 的CH3NH3PbI3溶液中,钙钛矿相CH3NH3PbI3具有近乎完美的结晶性,平衡电子-空穴对的扩散长度大于100nm,比在传统电池材料中高出1个数量级, 可比拟吸光材料的光学吸收深度,因此使得PSCs中电荷复合少,从而使开路电压较高,产生较高的光电转换效率,并提出调控吸光层的结构可以获得较高效率的PSCs[11]。该课题组还利用瞬时激光光谱和微波光导测量技术分析了TiO2基PSCs和Al2O3基PSCs的光生载流子传输机制,发现当光生载流子从钙钛矿吸光材料注入到收集极TiO2或Al2O3和空穴传输层时,载流子在吸光材料与这两个部位的界面迅速分离,并且这种电荷分离机制与材料的制备方法有关;TiO2基PSCs中的电荷复合速率小于Al2O3基PSCs中的电荷复合速率[4]。几乎与Grtzel课题组在同一时间,Snaith课题组也利用瞬态 吸收和荧 光猝灭光 谱测量技 术分析比 较了CH3NH3PbI3与混合钙钛矿材料CH3NH3PbI3-xClx,发现后者电子-空穴对扩散长度更是高达1μm以上,该团队还指出,只要通过合理调控PSCs吸光层的性能参数,即使不用任何骨架材料,依然可以获得光电转 换效率较 高的PSCs[12]。 美国圣母大学Prashant Kamat课题组借助飞秒瞬态吸收光谱测量技术,研究了CH3NH3PbI3钙钛矿薄 膜的激发 态性质,证明了主要的弛豫过程是通过自由电子和空穴的复合, 并且研究了以上复合机制和禁带边缘漂移与光生载流子密度的关系,为进一步阐明载流子在混合钙钛矿材料中的传输机理打下了理论基础[13]。意大利分子科学与技术研究所的Filippo De Angelis课题组通过借助各种光谱技术重点研究钙钛矿材料的结构性质和电学性质,并分析发现介孔氧化物与钙钛矿材料界面处存在的有序结构很有可能是钙钛矿薄膜中载流子高效传输的决定因素[14,15,16]。西班牙海梅一世大学的Mora-Sero和Bisquert课题组利用阻抗谱研究了PSCs中光生载流子积 聚、分离和复 合机理,并首次证 实了长达1μm的载流子扩散长度是降低复合率的因素[17,18]。这些研究成果为深入认识有机金属卤化物钙钛矿吸光材料的工作机制,指导进一步提高PSCs效率提供了理论依据。

2.3新材料开发

目前的钙钛矿材料普遍以有毒且具有水溶性的铅作为原料,这为环境带来了极大的危害并且阻碍了该项技术的工业化应用。目前的研究热点之一在于如何通过金属元素替代的方法找到同等或更高转换效率的无铅钙钛矿吸光材料。 Snaith课题组利用锡(CH3NH3SnI3)替代吸光材料中的有毒铅元素,实现了6%的转换效率,开路电压达到0.88V[19],但由于锡二价氧化态存在不稳定性,原型电池需要在氮气环境下制备和封装,这方面还需要开展更多的工作。几乎与此同时,美国西北大学Mercouri Kanatzidis团队也报道了利用锡 (CH3NH3SnI3-xBrx)替代铅,实现转换效率达到5.73%(图4)[20],未来需要通过进一步优化和更好地理解内部电子动力学与相应的界面工程来提高效率,研究人员认为理论上锡基PSCs转换效率也能达到20%以上。

另外,PSCs通常使用的与吸光层相匹配的是有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD,但其合成价格很高,是黄金价格的5倍以上。因此寻找开发低成本电子/空穴传输材料成为不少课题组致力于降低PSCs成本的重要工作。Kamat课题组首次提出利用具有高电导率的廉价碘化铜(CuI)无机材料来替代Spiro-OMeTAD作PSCs的传输层(图5),虽然其效率只有6%,但是CuI具有较高的导电性和稳定性,可以提高PSCs稳定性,降低电池成本,并且研究人员认为利用CuI作为空穴传输材料PSCs效率较低的原因是开路电压较低,在提高开路电压并满足电池各项性能参数最优的条件下,其效率可以通过优化手段提高到10%[21]。Grtzel课题组采用高效且价格低廉的无机p型空穴传输材料硫氰酸铜(CuSCN), 成功制备了含铅卤化物PSCs(图6),达到12.4%的光电转换效率,其成本将比有机空穴传输材料低2个数量级,具有大规模生产的前景[22]。

2.4温和制备工艺

开发原料利用率高、过程简单可控、可以大面积制备吸光层的温和制备工艺是实现PSCs最终能够规模应用的关键因素。实验室中常采用液相沉积、气相沉积以及液相/气相混合沉积工艺。目前通过真空沉积工艺生产出的钙钛矿结构薄膜质量最高,但因需要同时沉积有机和无机材料容易造成校准问题和靶交叉污染,而且对实验设备要求较高。低温溶液沉积方法的研制提供了一种更简单的方法,Snaith课题组通过优化TiO2层旋涂液,降低其退火温度,报道了一种在150 ℃低温下生成致密TiO2薄膜的方法,获得15.9%的光电转换效率[23]。Grtzel课题组在低温(70 ℃)下通过化学浴沉积方法制作出基于TiO2/CH3NH3PbI3的太阳电池,其光电转换效率为13.7%,开路电压达到1.11V为迄今为止最高值[24]。美国加州大学洛杉矶分校Yang Yang课题组通过精确控制湿度,在低于150 ℃制备完成的PSCs平均效率达到16.6%,在没有抗 反射涂层 的情况下 最高效率 约达到19.3%[25]。

2.5提高稳定性

钙钛矿吸光材料多是卤素八面体共顶点连接的卤化物钙钛矿结构,比共棱、共面连接更稳定,并在大尺寸离子嵌入脱嵌过程中仍能够保持结构稳定。而且,固态有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD的出现代替了传统的碘电解液,大大提高了电池的稳定性和工艺可重复性。然而在现阶段的技术条件下,氧气、水分、紫外线、溶液处理(溶剂、溶质、添加剂) 以及温度等因素都可能破坏PSCs的化学稳定性,从而使得PSCs仍然停留 在实验室 阶段,还不能投 入大规模 生产。 Snaith课题组研究发现,TiO2基的PSCs在紫外光照射下, TiO2产生本征激发,形成电子-空穴对,TiO2中深电子施主能级处的电子与空气中的氧分子反应,形成一种O2--Ti4+复杂带电体,该复杂带电体与TiO2本征激发出的空穴反应,释放出氧分子,留下自由电子和TiO2中未被占据的氧空位,如图7所示,自由电子与空穴传输层的空穴复合,导致PSCs性能下降,其稳定性降低,通过用Al2O3代替TiO2,或者在前加一层紫外线过滤膜都可以有效降低因紫外照射而导致的衰减[26]。Sang Il Seol课题组通 过研发出 新钙钛矿 材料CH3NH3Pb(I1-xBrx)3(x=0.2,0.29)提高材料本身在湿度环境中的稳定性,实现12.3%的转换效率,并通过提升封装防潮工艺延长电池使用寿命[27]。

3国内研究进展

香港科技大学Yang Shihe课题组是国内首先报道研制出PSCs的研究团队,在2013年利用TiO2纳米线阵列结合CH3NH3PbI2Br钙钛矿吸光层,采用Spiro-MeOTAD作为空穴传输材料,效率达到4.87%[28]。随后中国科学院大连化学物理研究所、等离子体物理研究所、物理所和华中科技大学等相继开展了研究工作。

华中科技大 学韩宏伟 课题组致 力于研发TiO2/ CH3NH3PbI3异质结太阳能电池,2014年利用TiO2和ZrO2双层微孔结构制作出了PSCs,达到了12.8%的光电转换效率[29],电池采用双层支架材料,对电极采用可印刷碳层,ZrO2层起到阻隔光生电子回流并且降低复合率的作用,所以该电池不需要使用价格昂贵的空穴传输层以及金反射层,并且在全光照的空气中能保持超过1000h的稳定性。

中国科学院物理研究所孟庆波研究员带领的太阳能材料与器件研究组于2013年开始开展PSCs的相关研究工作, 研究人员通过使用AZO对ZnO进行界面修饰,抑制ZnO/ CH3NH3PbI3异质结界面的载流子复合,极大地提高了开路电压,最高光电转换效率达到10.7%[30],并且制作出的无空穴传输材料PSCs效率为10.49%,结合单异质结理想二极管模型及阻抗技术证明了该类无空穴传输材料的PSCs是一种典型的异质结电池[31]。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊课题组是世界首批研究NH2CH=NH2PbI3(FAPbI3)新型钙钛矿材料的团队之一,其1.43eV的禁带宽度比CH3NH3PbI3钙钛矿(1.51eV)更接近理论最优值(1.4eV),具有良好的热稳定性和光电转换性能,利用P3HT作为空穴传输材料研制的PSCs转换效率达到7.5%[32,33]。

中国科学院等离子体物理研究所潘旭、戴松元课题组和大连化学物理研究所张文华课题组在探索新型有机空穴传输材料方面进行了研究,分别采用P3HT/多壁碳纳米管和PCBTDPP作为空穴传输材料,获得了6.45%[34]和5.55%的光电转换效率[35]。

综合来看,我国科学家PSCs研究起步较国外同行晚,但对国外研究团队新成果的跟进复制方面反应迅速,在改进电池结构和新材料的研发等方面做出了一些有显示度的工作, 为我国PSCs的研究打下了基础,也为后来研究者提供了实践经验。然而,仍然缺乏相关原创性工作,发表的论文数量很多但是高水平研究论文还明显不足,有关PSCs工作机制原理性基础研究还存在明显缺陷。未来工作应该鼓励更多原始创新工作,各个团队优势互补、开展合作研究。

4目前存在问题

PSCs研究的最终目标是:通过高效率和极低成本太阳电池实现平价光伏发电,引发能源结构重大变革。目前科学家已通过多种材料和结构优化手段将PSCs的光电转换效率提高到了20%以上,并且初步从工作机理层面分析了PSCs转换效率较高的原因,也对PSCs稳定性开展了一定的研究, 但是这些研究不够全面,也未提供完善的解决办法,从而无法快速实现PSCs的实际应用。从太阳能技术最关键的三大要素(效率、成本和稳定性)来看,PSCs面临的最大问题还是稳定性:(1)如前文提到的PSCs易受自然环境的影响,在各种条件下测试器件整体的稳定性和理解可能发生的变化将是一个重要课题;(2)由于涂布工艺导致的材料形态差异过大,难以形成大面积均匀的钙钛矿连续膜,影响实际应用,需要进一步优化工艺;(3)PSCs中最关键的钙钛矿相有机金属卤化物存在着铅污染问题,科学家们提出用锡、铜等其它材料替代,但转换效率还处于较低水平。

5展望

PSCs目前的发展尚处于初级阶段,要达到实用化的水平,还需要大量的人力和资金投入。根据目前PSCs的研究进展和已取得成果,未来可以在以下方 面开展相 关研究工 作:

(1)彻底弄清PSCs光激发载流子的产生,电子和空穴的扩散、漂移、传输及复合等工作机制。解决关于钙钛矿材料强吸光能力的微观机理、光生载流子产生机理、高效能量转换的主导机理以及电子/空穴输运通道与机理等关键科学问题。

(2)探索新的性能稳定、无污染的吸光材料。目前PSCs所用的吸光材料都是铅系的钙钛矿相有机金属卤化物,其用在PSCs中会使电池具有很高的开路电压和填充因子,电池效率高,但是该材料本身并不稳定,无法在恶劣的自然环境下持续稳定的工作,导致PSCs稳定性较差,并且存在铅污染问题。因此,开发探索性能稳定、不含铅的吸光材料是PSCs研究的一个重要方向。

(3)研究价格低廉的传输材料。PSCs中一般都是用有机材料作为传输层,这种材料价格昂贵,导电性较差。因此, 开发价格低廉的无机材料作为传输层是PSCs的另一研究方向。

(4)开发新型结构的PSCs。PSCs的结构主要由4个部分组成:光阳极 (一般由导 电基底、致密层和 多孔TiO2组成)、吸光层(主要为钙钛矿相有机金属卤化物)、传输层(主要为有机空穴传输材料)和对电极(作为空穴收集极,一般是导电性较好的金属或非金属材料)。据报道[7],光阳极层中的纳米多孔结构对电荷传输贡献不大,主要是作吸光层的骨架,因此可以通过结构工程制备多孔钙钛矿p-n异质结结构电池、p-i-n薄膜结构电池,利用微纳多级结构进一步提升转换效率[36]。

(5)从制备工 艺上进一 步降低PSCs的成本。 目前, PSCs中的金属氧化物骨架都是在较高温度下制备的,其烧结工艺较复杂,耗时长,甚至需要特殊的设备,对降低PSCs的成本不利。因此开发新工艺有望大幅度降低其成本,实现大规模产业化。

摘要：钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池是以钙钛矿相有机金属卤化物作为吸光材料的薄膜太阳电池,因制备工艺简单、成本低廉、能量回报周期短以及光电转换效率高等优点而备受科学家的青睐。在钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究发展的短短5年时间内,其光电转换效率已从最初的3.8%迅速上升到20%以上,超过了非晶硅、染料敏化、有机太阳电池等新一代薄膜电池历经10多年研究的成果。为了进一步提升效率,以期获得实际应用,钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的工作机制、新材料、温和制备工艺和稳定性是研究者们最为关注的研究方向。解决这些问题,对钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池今后的发展起着指导和借鉴作用。介绍了钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的结构及其工作原理,对国内外钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池的研究进行了总结和分析,指出了目前钙钛矿相有机金属卤化物太阳电池研究的不足,并对其未来的研究提出了一些建议。

金属氢化物贮氢技术研究与发展 第5篇

【摘要】氢的贮存与输送是氢能利用中的重要环节。石油化工、合成氨、冶金、电子、电力、医药、食品、玻璃生产、火箭燃料和科学实验等以氢作为原料气、还原气、冷却气或燃料。由于氢的易燃性、易扩散性和重量轻，因此其贮存与输送中的安全、高效和无泄漏损失是人们在实际应用中优先考虑的问题。原则上，氢可以以气体、液体、固体（氢化物）或化合物（如氨、甲醇等）的形式贮存与运输。

引言

金属卤化物 第6篇

关键词：水热法,纳米金属,纳米金属氧化物,纳米金属硫化物

水热合成是指温度为100~1 000℃、压力为1MPa~1GPa的亚临界和超临界水热条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成[1]。随着x-射线衍射技术、扫描电子显微镜等技术的完善和发展, 到20世纪90年代, 纳米材料因其具有优良的光、电、磁等性质和催化性能, 引起了广泛的关注和研究。水热合成这种19世纪中叶出现的方法在合成纳米材料中越来越展现出独特的优越性[2]。

1 水热法合成纳米金属粒子

纳米贵金属粒子 (如Au, Ag, Pt等) 、磁性金属粒子 (如Co、镍和铁) 、金属合金粒子 (如Fe-Pt, Co-Pt) 和多层金属粒子 (如Cu/Co, Co/Pt) , 这些材料具有新的有趣的基本性质和在电子、磁性、光学、热和催化性能等先进材料领域具有潜在的应用价值, 因而吸引了研究者的注意。这些纳米金属粒子的性质与它们的形态和结构具有密切的关系, 尤其是它们的晶体生长过程和形状控制, 目前超临界水热液和水热技术已经广泛用于制备纳米金属粒子[3]。

钱逸泰课题组使用镍纳米管作为还原剂通过温和的水热合成反应合成了树枝状纳米Ag, 他们发现反应系统在从非平衡向准平衡的演化过程中晶体结构变成树突状紧凑晶体, 并且镍纳米管的形态各项异性会影响树枝状纳米Ag的形成模式, 而且当使用PVP表面活性剂时, 树枝状纳米Ag结构被大颗粒或紧凑的晶粒取代[3]。

钱逸泰课题组在160℃还用水热还原法合成了晶体结构为六角紧密堆积的钴纳米带, 矩形截面, 直径是200-500nm, 厚度50–80nm, 几百微米长。合成的钴纳米带在室温下表现出铁磁特性[5]。HLNiu等用水热法在80℃合成了直径约12nm磁性镍铜合金微晶[6]。

目前低温超临界水热法是合成Ag、Au、Pd、In、Pt、Si、Ge和Cu等纳米粒子, 以及生产Cu、Ni、Ag、Au、Pt、Pd和Rh等纳米晶体薄膜涂层的有效方法, 并应用在微电子硅片和数据存储等领域[7,8]。

2 水热法合成金属氧化物纳米材料

由于水热法可以合成高度单分散的纳米颗粒并控制其大小和形态, 因此广泛应用在金属氧化物纳米材料的制备中。金属氧化物纳米颗粒的应用非常广泛, 包括高密度信息存储、磁共振成像、靶向给药, 生物成像, 癌症治疗, 中子俘获治疗、光催化、荧光、电子、催化、光学等, 尤其是Ti O2、Zn O、Ce O2、Zr O2、Cu O、Al2O3、Dy2O3、In2O3、Co3O4和Ni O等纳米金属氧化物。

陈代荣课题组报道了使用有机添加剂水热制备氧化锆纳米微晶。在多羟基醇 (例如甘油, 二乙醇胺和三乙醇胺) 存在下水热合成的是四方氧化锆纳米纯相微晶, 而烷基卤化物存在下水热合成的是单斜氧化锆纳米纯相微晶。所制备的四方氧化锆粒子是球形或椭圆形, 大小在8~30纳米之间, 而单斜氧化锆粒子是纺锤形的, 大小在20~40纳米[9]。

陈铁红课题组以水热合成方法制备了具有不同微观形貌的纳米结构Mn O2, 并以X射线衍射 (XRD) , 扫描电镜 (SEM) 和X射线光电子能谱 (XPS) 等方法对其进行了表征。跟踪考察了二氧化锰的晶型及微观形貌随水热反应时间的演变过程, 在Ostwald ripening机理作用下, Mn O2晶型转化过程为γ-Mn O2, α-Mn O2和β-Mn O2, 同时形貌由微米球转变为海胆结构、空心海胆结构和纳米线[10]。

刘荣利等以Zn (NO3) 2为原料, CTAB为形貌控制剂, 采用水热合成技术制备了一维氧化锌粉体。该一维氧化锌属于六方晶系, 分散性好, 纯度高, 直径约200nm, 长度约5μm。用该粉体制成烧结型旁热式气敏元件, 在170℃左右对10ppm的三甲胺、甲醇等还原性气体有很好的响应[11]。

邵长路课题组采用静电纺丝技术和水热合成法制备了Ce O2/Ti O2复合纳米纤维。发现Ce O2纳米粒子均匀地生长在Ti O2纳米纤维表面, 形成了异质结构的Ce O2/Ti O2复合纳米纤维光催化材料。并且采用不同的碱源, 可以得到不同形貌的Ce O2。Ce O2的存在增加了Ti O2纳米纤维的比表面积, 有效地实现Ti O2光生电子和空穴的分离, 增强了体系的量子效率, 与纯Ti O2纳米纤维相比光催化活性明显提高[12]。

郑寿荣课题组以钛酸纳米管为前驱体, 通过添加Na F高温水热合成了 (001) 面暴露的Ti O2纳米薄片, 并可以催化苯酚光降解, 其活性随水热温度升高而增加, 发现200℃合成的Ti O2纳米薄片的反应速率常数最高[13]。

丁士文课题组采用低温-低压水热法在180℃, 0.8MPa以下合成出了Ti O2-Zn O纳米复合材料, 该材料对可见光和紫外光均有强吸收作用, 并完全降解酸性红B和酸性黑234染料, 为直接利用太阳光、太阳能和普通光源来净化环境, 提供了新的途径[14]。

3 水热法合成金属硫化物纳米材料

金属硫化物纳米材料有着非常重要的技术应用, 具有优异的光电性能和催化性能。在水热法中, 通过加入修饰剂或表面活性剂, 或不同的添加剂, 可以改变金属硫化物纳米材料形态和大小。与其他方法相比, 水热法具有反应温度低, 反应时间短, 便于控制纳米材料的形态和大小的优点, 反应温度一般在150-200℃。

Jianxi Yao等在140℃, 乙二胺为反应介质, 水热合成了Cd S纳米线, Haibin Chu等通过调整乙二胺和乙二醇两种溶剂的比率, 控制反应温度和时间, 水热合成了不同形态大小的纳米Cd S晶体, 形态分别为铅笔形状的纳米棒, 四足形, 多刺球形, 和六角纳米棱柱[15,16]。

金属卤化物灯用电器的比较 第7篇

目前, 金属卤化物灯的电感镇流器通常有两大类型———滞后式和超前顶峰式。尽管通过金属卤化物灯中加入的金属卤化物能够使光效和显色性指标更好, 但是加入卤化物之后, 就需要更高的灯的启动电压和重复着火电压。一般, 纯电感镇流器提供的输出电压不需要较高, 无法提供较高的输出电压, 但是使用了超前顶峰式镇流器之后, 便可以提供较高的电压, 能较好地满足金属卤化物灯的启动条件, 这种电路已经在市场上普遍使用。

相比来看, 采用超前顶峰式镇流器, 中远程照明电路的优点比较明显, 输出电压方面, 输出的开路电压和重复着火电压比较高;功率因数较高, 一般≥0.85, 能量利用率高, 灯的电参数随电网电压的影响不大, 电网适应性较好, 启动时供线电流小于灯电流。虽然该电路具备以上几个方面的优点, 但该电路也有相应的缺点, 比如体积较大、功耗较大, 对电容器稳定性要求较高及成本高等。

除使用超前顶峰式镇流器之外, 当电网电压大于金属卤化物灯的工作电压时, 可采用纯电感 (滞后型) 镇流器加触法器的方式进行燃点金卤灯。采用这种形式, 触发器便可以提供保证金卤灯启动和正常燃点的电压。

相比而言滞后型电感镇流器的抗电网波动的能力小, 电网电压变化对灯的寿命、光通维持率等光电指标有一定影响。但纯电感 (滞后型) 整流器有体积小, 功耗低和最经济的特点, 这些特点便于适应市场要求。

HID灯当中, 高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯, 在电参数上有相同之处, 特别是中功率金属卤化物灯的电参数都与高压汞灯电参数基本相同, 这样, 参数的对应性使得金属卤化物灯、高压钠灯在镇流器的使用上可以互用, 金属卤化物灯也可用对应功率的高压钠灯镇流器燃点。所以, 不再使用中功率的高压钠灯或其它功率的高压钠灯, 而是改为使用金属卤化物灯, 是能够保留原有的镇流器和输电线规格的, 仅需改变的是配置一只合适的触发器。这样, 势必会扩大金卤灯的使用范围。

实际使用这种电路燃点金属卤化物灯也存在一些问题, 比如小功率灯在启弧后的有突然熄灭燃现象, 辉光放电不能及时转化到弧光放电状态、启动电压、重复着火电压会随时间增加, 影响等的正常启动等等。在上面提到的这些情况下灯熄灭后, 触发器还是会产生高压脉冲, 这样就会出现一些问题, 比如高频噪声、击穿电路器件, 由于温度过高而导致火灾的发生等。

所以, 作为合适的触发器, 必须具备以下功能: (1) 单位时间内产生的脉冲能量要足够大; (2) 脉冲高压应在灯启动后立即停止; (3) 灯在不点燃的情况下, 触发器便不能长时间工作。要使触发器的在一定时间里产生的脉冲能量足够大, 其输出脉冲的幅度应大于4千伏, 半周期输出时脉宽大于2μs。为此, 兼顾幅度和宽度两层面, 可采用多重脉冲的输出方式。

运用多脉冲的输出方式需要做到以下几点: (1) 脉冲的高度>4千伏; (2) 脉冲的相位和间隔不得超出规定的位置和范围, (间隔<0.3微秒) ; (3) 各脉冲宽度的总和不小于2μs。以上条件在一般情况下相对比较较易实现, 但要同时满足灯的正常启动, 还应使点燃后灯的瞬时电压降在20s左右的时间, 大于280V。触发器如果达到这项要求, 灯点燃后便会有自熄现象或长时间建立不起来弧光放电状态 (维持在辉光放电状态) 。高品质的触发器能在电源接通后约20秒左右时间停止输出脉冲, 这样, 可以防止二次触发过程的能量分流而导致金卤灯自熄现象。

近年来, 电子镇流器的制造技术有了长足的进步, 在高强度气体放电灯领域, 就总体运行成本来讲, 小功率的金卤灯或高压钠灯电子镇流器并不占有优势。在大功率高强度气体放电灯 (175W以上) 领域, 电子镇流器不占优势。尽管电网电压十分的不稳定, 像是某个地方的路灯系统, 电感镇流器点灯系统也可通过一组点灯系统集中串联电抗器的自动控制系统来保障稳定的灯功率等, 从而使系统的运行处于一个良好的状态。在大功率高强度气体放电灯 (大于175W) 领域, 主要使用的还将是运行成本最合理的欧标节能型电感镇流器。

电子镇流器的致命缺点是其使用寿命, 因为现在的电子镇流器会被元器件寿命及外界电磁感应脉冲影响, 平均寿命大约是3年。电感镇流器的结构不复杂, 只要绕组未发生自身的匝间和层间短路以及对外表的击穿, 通常都是可以使用10年左右的, 即使是高温条件下或者是环境非常不好的时候, 电感镇流器也会比电子镇流器使用的时间要长。

结论:滞后型镇流器燃点金属卤化物灯的优势在于:效率高、所需成本比较少等, 要想更好的保证燃点寿命, 很重要的一点是要做到配置合理, 在220V电网电压下, 不仅能够使生产厂家的产品合格率更高, 同时还能够让用户更加满意其寿命指标, 在未来的发展中将占据较大的优势, 拥有广阔的发展前景。

摘要：随着照明技术的发展, 虽然电光源产品品种繁多, 金属卤化物灯以其自身优点, 在广泛的领域使用仍然有其不可替代性, 尤其是配套合适的电感镇流器, 更能发挥出效率高、成本低、寿命长的特点。

关键词：金属卤化物,电感镇流器,启动电压,寿命

参考文献

[1]蔡祖泉编著.电光源原理.复旦大学出版社.

[2]刘越群等.光源电器原理和应用技术, 化学工业出版社.

金属氧化物导电粉体的研究进展 第8篇

随着电子工业的迅速发展和人们生活水平的提高, 导电粉体作为塑料、涂料、纤维、陶瓷等制备过程的一种功能性填料, 能够赋予其抗静电、电磁屏蔽等性能, 已经引起人们的广泛关注。目前, 常用的导电粉体为金属系粉体、碳系粉体和金属氧化物导电粉。金属粉体虽然导电性较强, 但它们存在价格昂贵、易氧化、耐腐蚀性差的缺点, 并且金属导电粉密度大, 易沉底结块因而在基体中分散性不好。碳系导电粉体虽然导电性及稳定性较好, 但较难均匀分散、高温抗氧化性不强, 尤其制品色黑而不被接受。金属半导体氧化物如氧化锡 (Sn O2) 、氧化锌 (Zn O) 导电粉以其高熔点、抗氧化能力较强、价格适中而受到研究者的关注。

1 氧化物导电粉的制备现状

1.1 氧化锡类

1.1.1 结构及导电机理

纯SnO2理论上属典型绝缘体, 但由于存在晶格氧缺位, 在禁带内形成Ed=-0.15eV的施主能级, 向导带提供1015-1018cm-3浓度的电子, 故纯SnO2应属n型半导体。掺杂SnO2属透明的n型半导体材料, 导电性质介于传统半导体 (如Si、Ge、GaAs) 和金属之间。5价元素如Sb、As或F元素掺杂均能形成浅施主能级。经过合适的掺杂其电阻率可达10-1-10-4Ω·cm, SnO2转变为导体。现阶段制备氧化锡导电粉主要还是用锑进行掺杂, 即氧化锑掺杂的氧化锡 (ATO) 。

Sb2O3在加热过程中氧化成Sb2O4, 而它可看成由Sb2O3·Sb3O5组成, 即Sb3+不可能全部氧化成Sb5+。晶格的氧缺位、5价Sb杂质在Sn O2禁带形成施主能级并向导带提供n型载流子是其导电的两种主要机理。随着掺杂锑浓度的增加, 锑的两种氧化态Sb3+和Sb5+间存在着竞争。对应两种置换形式的合理缺陷方程分别为:

1.1.2 制备方法

导电氧化锡粉体 (ATO) 可以通过固相法或液相法制备。固相法生产周期短、工艺简单, 而液相法虽然工艺较为繁杂, 但能够制得粒径较小的颗粒。

文献[1]以SnO2和Sb2O3为原料采用固相法合成导电氧化锡。Wang[2]等人是以偏锡酸 (H2SnO3) 来作为锡源并掺杂Sb2O3。由于H2SnO3在300℃左右发生分解反应 (反应方程见式 (3) ) , 因而H2SnO3较氧化锡具有更高的活性, 有利于固相反应的进行, 所制得的粉体较直接用氧化锡掺杂的导电粉电导率更高。

液相法有沉淀法、水热法和燃烧合成法等。在液相法中, 共沉淀法具有制备工艺简单、制备条件易控、合成周期短及易于实现多组分复合掺杂等优点, 是目前制备纳米ATO粒子的常用方法。

Sun[3]的制备方法是把SnCl4·0.5H2O和SbCl5分别溶于去离子水中和盐酸中, 然后将两溶液混合并加热, 把15%的Na OH溶液缓慢加入混合液中并保持溶液最终p H值为2。然后停止加热, 不停搅拌冷却3小时。白色沉淀经过过滤并用去离子水洗涤后于真空干燥3小时以上。干燥后的前驱体于空气中焙烧后就成为粒径为10-50nm的纳米导电氧化锡颗粒。

水热法由于无需高温处理, 可直接得到结晶良好的纳米粉体, 近年来得到迅速发展, 已成为纳米粉体制备的一条重要途径。Tanjew[4]用先用沉淀法制备纳米导电氧化锡前驱体, 再把前驱体的胶体溶液置于高压反应釜中于150-270℃反应1-16小时, 成功制得4-9nm的导电氧化锡颗粒。Van[5]和Jiang[6]在文章中提到的做法也与之类似。Zhang[7]所采用的方法是, 把30ml浓HNO3加入到盛有锡粒、一定量Sb2O3和50ml水的反应釜中, 在釜中发生如下反应:

等反应完全后密封反应釜并保持120-170℃的温度10小时, 然后自然冷却。由于避开了使用卤化物 (SbCl5、SbCl3等) 为原料, 就避免了用水反复来洗前驱体这一过程。我们知道, 反复洗涤会造成前驱体的流失, 且未洗净的氯离子会影响导电粉的表面和电性能, 还会造成粉体的团聚, 甚至使热处理温度上升。

燃烧合成法是最近才发展起来的合成纳米粉体的方法之一。其主要方法是将金属盐和硝酸、柠檬酸、氨基酸等混合形成均匀澄清的溶液, 有时可滴加氨水溶液调节体系的p H值。由于硝酸根强烈的氧化性, 而柠檬酸、氨基酸等又有较强的还原性, 在加热条件下瞬间发生剧烈燃烧反应, 在此过程中, 柠檬酸起到提供燃料的作用。由于反应过程中产生了大量的气体, 这些气体在逃逸过程中带走了大量的热量, 从而降低了反应体系的温度。同时, 产生的大量气体客观上还阻止了在高温情况下粉体颗粒的迅速长大及之间的相互接触, 抑制了颗粒的团聚, 提高了粉体的分散性能。该方法合成纳米粉体过程简单, 不需要洗涤, 从而缩短了合成周期, 提高了粉体的品质。Zhang[8]等人以硝酸锡和柠檬酸锑为原料, 利用燃烧合成法制备纳米ATO粉, XRD、TEM等分析表明, 所得粉体的粒径在数十纳米, 分散性能较好。

1.2 氧化锌类

1.2.1 结构及导电机理

氧化锌的禁带宽度是3.2eV, 室温下满足化学计量比的氧化锌应是绝缘体。但由于本身缺陷的存在, 破坏了周期场, 从而形成了附加能级。这些附加能级的存在, 有利于形成填隙锌原子[9]。

填隙锌原子 (Znix) 的激活能很低, 在室温下, 这些Znix就已基本电离。即

这就是氧化锌在室温时就具有导电性的一个原因。在没有外来杂质的情况下, 这些导电电子主要来自填隙锌原子的电离。从而使氧化锌具有n型电子导电特性。若在氧化锌中引入其它金属氧化物杂质 (即掺杂) , 氧化锌的电导率可能会明显得到提高。例如在氧化锌中引入能与氧化锌形成替代固溶体的三价金属离子, 则这种杂质金属离子将在氧化锌中形成施主中心, 反应式如下:

式中Me.Zn是正常Zn2+位置上的三价金属离子。Me3+占据Zn2+位置后, 电离失去一个电子变成带正电荷的Me.Zn, 这个替位处的正电中心可以把Me.Zn原子中多余的价电子束缚在它的周围, 但束缚力比正常晶格对参加离子键的价电子的束缚力小得多, 容易形成施主中心, 从而增加载流子浓度, 降低氧化锌的电阻率。在氧分压不变时, 载流子浓度随Me.Zn含量的增加而增加, 这时的氧化锌的电导率就显著增加。制备导电氧化锌的方法主要有非化学计量缺陷法和掺杂法。

1.2.2 制备方法

非化学计量缺陷法是指把金属锌 (氧化锌) 的粉体置于低氧分压、氢气气氛下或锌蒸汽中煅烧制备导电氧化锌粉体。在低氧分压下反应向着方程 (5) 的右方进行, 从而有利于造成更多的缺陷。同样在锌蒸汽下过剩的金属离子进入间隙位置, 由于它是带正电的, 为保持电中性, 等价的电子被束缚在间隙正离子周围, 在外电场的作用下这些电子就能形成电子导电。但由于这些自由电子是陷落在填隙阳离子周围的, 而陷落电子都能吸收一定波长的光, 从而使得晶体着色。因此, 这些方法制备的导电氧化锌粉末都因颜色较深而限制了它的应用。

制备氧化锌掺杂导电粉体的掺杂元素主要有铝、镓和铟。其三价离子的半径和电负性分别为0.5nm/1.61、0.62 nm/1.81和0.81 nm/1.78, 与二价锌离子 (0.74nm/1.65) 相近。目前制备掺杂导电氧化锌粉体的方法主要有等离子体裂解法和真空焙烧法。

在等离子体热解制备氧化锌的过程中, 采用了等离子弧直接加热, 对流、传导和辐射加热均被强化。特别是辐射加热过程, 载气为空气的等离子体宏观温度约为8000~10000℃。计算表明, 此时辐射传热的能力约为650℃时的6000倍。因此极高的加热温度使缺陷方程 (6) 向右进行, 产生更多导电电子。同时, 等离子体热解时粉体在几秒中内可以被冷却到100℃, 这样的快速降温可以促使高温缺陷尽可能多地被“冻结”, 这也非常有利于增加导电电子的数量, 提高Zn O的导电能力。这些特点正好满足产生高电导的需要。另外, Zn O粉体在等离子体反应器中的高速旋转, 能够克服高温条件下粉体的团聚, 获得的粉体颗粒细, 粒度分布均匀。

袁方利等[10]用等离子体热解制备导电氧化锌的做法是:按比例把一定量的Zn SO2溶液和Al2 (SO2) 3溶液混合均匀, 然后添加到一定浓度的NH4HCO3溶液中, 形成白色沉淀物。沉淀物经过滤、洗涤、烘干、粉碎后得到掺铝的碱式碳酸锌粉体, 然后将前驱体置于等离子反应器中进行高温裂解。结果显示用此法制备的氧化锌粉体的导电性和颗粒度、粒度分布都大大地优于用传统马弗炉裂解制备的氧化锌。其氧化铝的最佳掺杂量为3% (质量百分比) 。

Wang等采用真空焙烧方法分别制备了掺杂镓和铟的导电氧化锌。他们[11]将化学纯的Zn O和金属镓或氧化镓于玛瑙研钵中混合均匀, 再将混合后的粉体放入石英管中焙烧。焙烧时对石英管抽真空 (真空度为50-100m Torr) , 烧成温度为1000-1200℃、保温10小时, 其升温和降温速度都为300℃/h。这样制备的镓掺杂的氧化锌粉体最高的电导率达到了300Ω-1·cm-1。他们归结粉体高电导率的原因为:高的焙烧温度及焙烧环境中的高密闭性和还原性。文献[12]的做法与文献[11]相同, 只是掺杂剂选用了金属铟或氧化铟。

真空焙烧法虽然能制备出高电导率的氧化锌粉体, 但由于其是在真空 (还原气氛) 中焙烧的, 因此它所制备的导电氧化锌的高温抗氧化性不好。而等离子体热解制备的氧化锌粉由于是在空气中焙烧的, 不存在粉体在使用中被氧化的问题, 但由于等离子体反应器价格昂贵也限制了它的普及。

导电氧化锌粉由于较导电氧化锡粉具有颜色浅、原料便宜、无毒等优点倍受关注。现在国内市场上有日本白水科技工业株式会社和台湾陆昌化工有限公司的产品销售。这些公司所生产的导电氧化锡由于是在还原气氛中制备, 其抗氧化性较差。我们曾用日本白水公司所生产的23-K-500型导电氧化锌进行了氧化气氛煅烧试验, 结果发现这种导电氧化锌在500℃氧化气氛焙烧后电阻率上升为100000Ω·cm, 在1100℃焙烧后粉体电阻率大于20MΩ·cm, 这与普通氧化锌粉体的电阻率等同。

2 小结

综上所述, 在现有的金属氧化物导电粉中, 氧化锡掺杂导电粉较氧化锌导电粉易制备、导电性稳定和抗氧化能力强, 其缺点是掺杂后粉体呈深蓝色, 在装饰上具有一定的局限性, 而且资源匮乏、原料价格昂贵。氧化锌导电粉虽然有颜色较浅、原料便宜等优点, 但现有的制备方法中等离子体焙烧法存在着产量低、设备昂贵等不足, 而用真空焙烧工艺生产的导电粉的抗氧化能力差且产量低。这些因素的存在使得导电氧化锌市场价格昂贵。如日本白水科技株式会社生产的导电氧化锌在国内的售价为15万元人民币/吨, 是普通氧化锌的十几倍。因此, 以上这些不足也是我们以后改进制备工艺的努力方向。另外, 在这基础上还可以开发新导电粉的体系, 如氧化钛类的导电粉等。

参考文献

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[3]Sun K, Liu J, Browning N D.Correlated atomic resolution microscopy and spectroscopy studies of Sn (Sb) O2 nanophase catalysts.Journal of Catalysis, 2002, 205:266-277

[4]Tanjew N.Wet-chemical synthesis of doped nanoparticles:blue-colored colloids of n-doped SnO2∶Sb.Journal of Chemical Physics, 1999, 110 (24) :12142-12150

[5]Van B, Groen M J.The electrical and optical properties of thin layers of nano-sized antimony doped tin oxide particles.Journal of Materials Science, 1999, 34:4803-4809

[6]Jiang M X, Yang T Z, Gu Y Y, et al.Preparation of antimony-doped nanoparticles by hydrothermal method.Trans Nonferrous Met Soc China, 2005, 15 (3) :702-705

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[8]Zhang J R, Gao L.Synthesis of antimony-doped tin oxide (ATO) nanoparticles by the nitrate–citrate combustion method.Materials Research Bulletin, 2004, 39:2249-2255

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罐式金属氧化物避雷器故障分析 第9篇

避雷器是采用具有非线性伏安特性的电阻片串联而成, 用于限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起内部过电压的一种电气设备, 通过释放过电压能量, 保护电力系统中其他设备绝缘免受过电压冲击造成的损坏。如果避雷器存在故障, 就起不到保护作用, 严重时还会影响电力系统中其他设备的运行。因此, 通过研究避雷器的故障, 总结经验, 防止类似故障再次发生, 具有重要的意义。

1 容易引起避雷器故障的原因

避雷器故障主要包含以下几方面:雷击、电力系统故障、避雷器质量缺陷等。雷击引起的故障主要有线路感应雷过电压和直击雷过电压。雷击时主放电时间极短, 仅有30~100 ms, 但主放电电流非常大, 甚至可达到200~300 k A, 对避雷器的冲击非常大, 极端情况下可引起避雷器击穿。电力系统故障常见的主要有工频过电压、操作过电压以及谐振过电压等。避雷器质量缺陷主要为电阻片质量缺陷、内部受潮、零部件缺陷以及避雷器装配工艺等问题。

2 发生故障后收集的相关数据

2012年12月6日凌晨3~4点, Y10WF5-72.5/192型避雷器爆破片爆破, 断路器跳闸。对现场的数据收集情况如下。

1) 天气情况:天气晴朗, 无打雷等自然灾害。

2) 发生故障前后, 系统无任何操作, 无系统过电压。

3) 电站的总体设计。

(1) 额定电压:66 k V电流系统。

(2) 电站系统情况:1#主变为星形连接, 中性点接Y10W-60/144型避雷器, 发生故障避雷器所处的位置为电站的进线处, 详见图1所示。

(3) 上、下级电站情况:上级电站额定电压为66 k V, 下级电站额定电压为10 k V。

4) 录波器记录的数据。录波器每1 h检测记录一次系统电压数据。事故发生当天4点时监测的电压值为:Ua=97.4k V、Ub=6.92 k V、Uc=80 k V。

5) 避雷器解体后产品内部情况。

避雷器内部水分:经检测水分值为100 ppm, 要求值为150 ppm, 水分未超标, 且电站有巡检制度, 该站避雷器在半年前做过水分检测, 一切合格。

避雷器内部各相芯组状况:A相烧坏, 所有电阻片全部烧坏;B相损坏较轻, 电阻片基本无损坏;C相和筒体之间有放电, 部分电阻片烧坏。

各相避雷器用监测器记录的放电次数:A:624, B:5, C:110。

3 故障现象分析

根据现场的反馈情况及拆装观察分析, 本次事故中无雷击、系统过电压等现象, 造成本次事故的原因有以下四种可能。

1) 避雷器内部SF6气体压力下降:这种情况下会导致内绝缘水平降低, 造成产品放电击穿。若出现SF6气体压力下降, 密度继电器必然报警, 但此次事故中现场并未出现压力降低报警, 说明避雷器不是因内部SF6气体压力下降导致放电事故, 此原因排除。

2) 避雷器内部受潮:这种情况下会导致内部绝缘性能下降, 缘拉杆沿面放电, 电阻片老化等现象, 这将会直接导致泄露电流增大。如果产品是内部受潮的话, 也将会出现小放电现象, 这时避雷器用监测器指针会出现微小摆动情况。如果出现此类情况, 一般三相会同时发生放电。但实际情况是B相完好无损, 且水分检测无异常, 说明了避雷器不是因为内部受潮引起的绝缘下降而导致的放电事故, 此原因排除。

3) 氧化锌电阻片老化:若电阻片发生老化现象, 产品的泄漏电流肯定增大, 直流参考电压值下降, 电阻片吸收能量能力下降。本台避雷器的三只芯体都属于同一批次的产品, 如果出现老化问题, 那么三只都应存在, 产品拆解后对B相芯体做了电试验, 发现泄漏电流未增大、直流参考电压仅稍微下降 (因为A相烧毁时, 内部过热导致) , 说明避雷器不是因氧化锌电阻片老化引起的事故, 此原因排除。

4) 线路出现单相断线故障:系统电压在2012年12月6日3点为正常运行电压, 但在4点时电压显示为Ua=97.17 k V、Ub=6.92 k V、Uc=80 k V。说明事故发生在3点与4点之间, 事故现象为避雷器爆破片爆破, 断路器跳闸。通过对产品解体后内部损坏情况分析, 若为系统B相断线, 则根据系统电路图, 66 k V转10 k V的变压器中性点接Y10WF-60/144型避雷器, 相当于中性点不接地, 此时A相、C相的电压均会升高。由于避雷器的持续运行电压为60 k V, 型式试验时避雷器的额定耐受电压为72.5 k V·20min, 当B相发生断线时, A相、C相两相电压为Ua=97.4 k V、Uc=80 k V, 两相长时间耐受过电压, 此时避雷器A相发生频繁的放电动作, 这与事故中A相避雷器用监测器显示的高达624次的放电次数吻合。此时相电压过高的C相也发生同样的动作, 但由于A相过电压较C相高, A相会较C相的放电更迅速, 造成A相芯体长时间过热, 电阻片热崩溃, 产生大量爆炸粉尘, 造成C相均压罩对筒体放电, 那么这与故障现象中C相避雷器用监测器计数次数为110, 远小于A相的这种现象相吻合。A、C两相长时间耐受过电压, 吸收能量过大, 温度升高, 气压随之升高, 最终气室内部压力达到爆破片的爆破压力, 避雷器防爆片爆破。

4 分析过程描述

根据以上分析可以推测事故过程如下:系统为中性点不接地系统, 当B相出现断线故障时, A、C两相长时间耐受工频过电压, 避雷器用监测器显示多次放电动作, 造成电阻片温度迅速升高, 电阻片发生热崩溃, 产生的能量造成了A相烧毁, 大量能量释放;C相耐受过电压一段时间后因气室内部的大量粉尘而造成对筒体绝缘降低, 从而对筒体放电, 因此C相避雷器用监测器显示的放电次数与A相比较少。避雷器因拉弧放电、爆破片爆破等情况造成气室内压力压降及对筒体的放电等引起系统保护动作, 断路器跳闸切除故障。

5 结语

通过以上分析可知, 系统发生单相断线故障是造成事故的主要原因。由于中性点接避雷器Y10WF-60/144, 相当于中性点不接地, 在单相断线故障时, 其余两相电压升高, 高于避雷器的额定电压, 且避雷器长期运行在过电压之上, 导致避雷器A、C两相热崩溃, 大量粉尘产生, 并引起产品气室内温度升高, 直接导致爆破片爆破, 期间也造成C相与筒体之间绝缘降低, 产生击穿放电, 断路器跳闸。

摘要：避雷器主要用以保护电力系统免受雷电过电压或操作过电压造成的损坏, 在电力系统中起着重要作用, 如果避雷器发生故障, 不仅起不到保护作用, 甚至会对电力系统造成一定的影响。介绍了一起罐式金属氧化物避雷器故障, 通过收集数据并认真分析, 最终找出故障原因, 并总结经验, 防止类似故障的再次发生, 对电力系统的保护具有重要意义。

关键词：避雷器故障,罐式金属氧化物避雷器,电力系统,分析方法

参考文献

[1]王宝华.电力系统故障分析[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004.8

金属氧化物避雷器在线监测技术比较 第10篇

金属氧化物避雷器 (MOA) 以其优异的非线性特性和大的通流能力而著称, 并且在保护电力系统安全运行上有着至关重要的作用。MOA阀片具有相当大的电容量, 正常情况下全 (泄漏) 电流中容性电流占主要成分, 阻性电流约为10%~20%左右。但是目前变电站使用的氧化镑锌避雷器绝大部分不再有串联间隙, 在运行电压下当阀片老化、进水受潮、内部绝缘部件受损或者表面严重污秽时阻性电流会大大增加, 而容性电流却变化不多。

避雷器的运行质量主要是指密封性能与阀片运行稳定性, 其中密封性主要依靠全电流监测, 而阀片运行稳定性主要依靠阻性电流监测。为了及时发现MOA运行中存在的隐患、加快MOA工况判断的速度和精度、减少维修费用, 必须对MOA的全电流、阻性电流进行在线监测。

2. MOA的监测方法

⑴全电流法

在氧化锌避雷器底部与地之间串接万用表和动作计数器, 对它实行连续在线监测, 比较全电流的增长情况, 以判断设备是否进水受潮。全电流数据分析时要着重进行纵向比较, 应注意运行电压、环境温度、相对湿度和表面污秽等因素的影响。全电流检测法方便可行但对早期受潮、老化反应不灵敏, 早期受潮、老化时阻性电流变化很小, 不能引起全电流较大的增长。

现在, 国内利用光纤取样技术监测全电流, 解决了监测泄漏电流中的高压隔离和数据远传问题, 适用于无人值守变电所实行避雷器泄漏电流自动监测和电流超标即时报警, 但灵敏度差, 且极易受外界干扰。

⑵高次谐波法

由于MOA的非线性特性, 即使外施的是正弦基波电压, 全电流也非纯正弦波, 其中含有阻性高次谐波。3次谐波对温度变化很灵敏, 早期老化期阻性电流的变化又主要表现为阻性电流的3次谐波分量的上升。使用MOA电流测试仪测量出MOA中的三次谐波电流, 利用厂家提供的关于系数k=I′3r/I3r (I′3r, I3r分别是老化后和无老化时的三次阻性谐波电流) 的曲线来判断MOA的运行工况。当母线电压中含有一定的谐波, 由此产生的容性谐波电流会使测量结果产生误差。

零序电流法是一种特殊的高次谐波法, 从三相MOA接地线中测得三相谐波电流之和, 来判断MOA的运行状况。只要三相避雷器不是同步老化, 就可用此法发现缺陷, 但是该方法受电源电压的不平衡性、波形以及三相试品差异的影响。

⑶阻性电流法

传统的阻性电流法先利用钳形电流传感器测得全电流, 再把从电压互感器二次侧取得的电压信号相位前移90度, 并用适当的放大电路抵消掉补偿MOA总泄漏电流中的容性部分, 从而得到阻性电流。此法对电流传感器的磁芯质量要求比较高, 否则会引起角差, 也受容性高次谐波电流的影响。

目前, 在阻性电流法的基础上有多种改进的方法。

(1) 容性电流补偿法。可以去除容性谐波电流造成的测量误差。通过对外加电压un和in全电流进行快速傅立叶变换, 结合和谐波补偿系数计算出准确的阻性电流进而诊断MOA。该方法建立在阀片的电容为常数的基础上。

(2) 多元补偿法。利用电压互感器交流电压过零产生一个中断信号, 来启动A/D对泄漏电流进行采样, 并记下电压电流的相位差, 由计算机分别自动生成与容性电流各次谐波分量同相位的补偿信号。

(3) 利用三角函数正交原理和快速牛顿迭代法求得高次谐波多元的补偿系数, 便可得到阻性电流。该法能对MOA容性电流的各次谐波分量进行补偿, 准确得到反映MOA运行工况的阻性电流分量。

(4) 电场探头电流作补偿容性谐波电流的方法。全电流的幅值和相角由MOA接地端经过傅立叶变换得到。把电场探头装在MOA底部绝缘基座测量其周围电场, 探头测到感应电压并转换场电流后用傅立叶变换及特殊标定程序分析处理以确定I3c, 由I3r=I3t-I3c得到I3r, 然后根据Ir=KUa和U-I特性数据粗略计算出Ir。

(5) 国外有仍监测MOA的泄漏电流双CT法。一个CT传感器采样正常泄漏电流, 另一个CT测量在过电压情况下冲击大电流的峰值, 以记录MOA动作次数。信号经A/D转换、数字处理, 提取阻性电流分量。用光纤所取电压信号来判断电网谐波对测量泄漏电流阻性分量的影响、用温度传感器区别泄漏电流是否由温度引起。双CT法考虑了来自电网的谐波和温度的影响, 但经济性不好, 其长期稳定性有待检验。

⑷基波电流法

该法使利用基波电流大小的变化判断MOA的运行状况。用FFT运算PT的电压和CT的全电流信号, 提取基波电流、电压, 将基波电流在基波电压上投影得到基波阻性电流。此法受电网谐波影响小, 精确度相对较高, 基波功耗反映了金属氧化物避雷器的健康状况。但从PT上取信号存在相角差, 并且安全性较差, 容易引起PT二次短路。

⑸基于温度的测量方法

温度主要受MOA能量吸收能力和老化或受潮导致的能量损耗的影响。该法原理:先由振荡器发出高频信号 (30MHz~3GHz) , 再由放在阀片间的声表面波 (SAW) 传感器接收该信号并反射出带有温度信息的信号。发射出的高频信号参照温度信号后, 得到相关的温度信号波形, 进而诊断MOA的运行状态。此法中的信号均为特高频, 受现场干扰小, 并且可以监测到MOA表面污秽对泄漏电流带来的影响。但是只适于安装在线检测中的MOA, 对已投入运行的MOA难以实施。

3. MOA在线检测技术的发展趋势

在线监测输变电设备仍受传感器可靠性和现场电磁干扰的影响, 信号处理技术、人工智能的应用依然是研究的热点。今后, 粗糙集合理论、模糊集合理论、概率统计方法、信息理论方法将会互相结合应用于绝缘监测的诊断中, 以便更准确地实现设备绝缘的监测、诊断、寿命预测。

摘要：阐述了近年来金属氧化物避雷器 (MOA) 在线监测的重要性和研究成果, 分析了各种检测技术, 对它们进行分类比较并提出其适用前提条件。

关键词：金属氧化物避雷器,阻性电流,容性电流,谐波

参考文献

[1]成永红.电力设备绝缘检测与诊断, 中国电力出版社

[2]谢碧海, 周井生.一种在线测量MOA阻性电流的新方法