Hranic, v Chemii

Úvod

bezpečný a spolehlivý provoz transformátorů má zásadní význam pro stabilní a kontinuální napájení do elektrické sítě (Lu et al., 2018; Zhang D.z. et al., 2018; Zhang q. Y. a kol., 2018; Cui et al., 2019; Yang a kol., 2019a, b). K dnešnímu dni, počet olejové transformátory účty pro více než 90% z celkového počtu výkonových transformátorů, provozní stavy transformátorů, budou mít přímý vliv na stav napájecí systémy (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. a kol., 2019). Pro dlouhotrvající transformátor, částečné přehřátí a částečné vybíjení povede k rozkladu oleje transformátoru do různých vina plynů, konkrétně vodíku (H2), oxidu uhelnatého (CO), oxid uhličitý (CO2), metan (CH4), acetylen (C2H2), etylen (C2H4) a ethanu (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao a kol., 2019; Park a kol., 2019; Wang J. X. a kol., 2019). Detekce těchto poruchových charakteristických plynů byla proto rozsáhle aplikována k diagnostice časných latentních poruch a hodnocení kvality provozu transformátorů ponořených do oleje (Zhang et al ., 2018a; Cui et al., 2019; Gui a kol., 2019). V tomto ohledu, kov-oxid-polovodič (MOS) plynové senzory přilákaly značnou pozornost vzhledem k jejich vysoké výkonnosti a širokou škálu aplikací pro detekci tyto poruchy charakteristické plynů v transformátoru oleje (Zhou et al., 2013; Zhang Y.Z. et al., 2019).

vzhledem k tomu byly zkoumány různé oxidy kovů různými způsoby syntézy (Ge et al ., 2017; Zhou a kol., 2018a, b; Wei et al., 2019a). Ze všech oxidů, jako typický polovodičový oxid kovu typu n, WO3 přitahoval velký zájem kvůli svým vynikajícím fyzikálně-chemickým vlastnostem (Miao et al ., 2015; Xu et al., 2019). Zlepšit výkon senzory plynů, udržitelné úsilí syntetizovat různé nanostruktury, jako jsou nanočástice, nanorods, nanosheets, a nanoflowers (Wei et al., 2019b). Navíc předchozí vědci potvrdili, že tyto jedinečné struktury úzce souvisejí s jeho vlastnostmi snímání plynu (Yu et al ., 2016). Proto, morfologicky kontrolovatelná syntéza různých hierarchických nanostruktur WO3 a jejich vylepšené výkony snímání plynů mají velký význam pro zkoumání a diskusi. V této recenzi se zaměříme na tvarosloví kontrolovatelné syntézu hierarchické WO3 nanostruktur včetně 0-dimenzionální (0-D), 1-dimenzionální (1-D), 2-dimenzionální (2-D), a 3-dimenzionální (3-D). Kromě toho byl zaveden zvýšený výkon snímání plynu a související mechanismy, zejména detekce rozpuštěných plynů v transformátorovém oleji.

Syntéza, Senzor Výroba a Měření

Syntéza WO3 Materiálů S Různými Strategiemi

Až do teď, různé efektivní strategie byly navrženy pro přípravu speciální povrchovou morfologii a pak zhotovení WO3 senzorů se zvýšenou plynu snímání výkon. Mezi těmito syntézními cestami byla široce používána templátová cesta, hydrotermální proces, metoda elektrospinning a chemická depozice. Wang M. D.et al. (2019) syntetizovány tři-rozměrově porézní WO3 materiálů s různými velikostmi pórů přes šablonu trasy a navrhli vztah mezi velikostí pórů a lepší plynu snímání výkon. Gibot et al. (2011) informoval o syntéze šablony vysoce specifické nanočástice povrchové plochy WO3 a podrobně diskutoval povrchové vlastnosti, morfologii a krystalografickou strukturu. Jin a kol. (2019) vyvinuty různé typy nanočástice WO3 přes povrchní hydrotermální proces a navrhla morfologie kontrolovatelné cesta mění podíl činidla. Cao a Chen (2017) používá povrchní CTAB (Hexadecyl trimethyl ammonium bromid)-podporované hydrotermální metodou syntetizovat ježek-jako WO3 již, a snímače na základě tohoto vlastnil vynikající plyn snímací výkon vzhledem k jeho zvláštní mikrostruktury. Giancaterini et al. (2016) zkoumal vliv aktivace tepelného a viditelného světla na odezvu nanovláken WO3 metodou elektrospinning. Jaroenapibal et al. (2018) představil elektrospinningovou syntézu Ag-dopovaných nanovláken WO3 a prokázal vylepšený mechanismus snímání plynu.

Snímač Výroba a Měření

zkoumat plynu snímání představení různých morfologií z WO3 materiály, připravené vzorky jsou použity pro výrobu strana-vyhřívané struktury, nejčastější verze, které jsou známé jako planární a trubkových konfigurace. Jak je znázorněno na obrázku 1A, obě struktury byly složeny ze čtyř částí: snímací materiály, dráty, elektrodesm, a substrát. Snímací materiály ve struktuře snímače se připraví rozpuštěním získaných prášků WO3 do smíšeného roztoku voda-ethanol. Po vytvoření homogenní suspenze se pasta rovnoměrně nanáší na keramický substrát z oxidu hlinitého, aby se získal snímací film (Zhou et al., 2019a, b). Dráty slouží k připojení celého měřicího obvodu a elektrody se používají pro měření změny odporu snímače, které přímo odráží výkon vyrobena senzor (Zhou et al., 2018a). Substrát je obvykle vyroben z hliníku, který může poskytnout spolehlivou podporu pro snímací materiály (Zhou et al.,2018c, d).

plyn snímací vlastnosti hutních WO3 senzorů jsou zkoumány pomocí statické inteligentní plynu snímání platforma pro analýzu. Obrázek 1B představuje příklad senzoru plynu experimentální proces. V tomto nastavení se plyn pozadí a cílový plyn střídavě zavádějí do plynové komory, aby se změřila charakteristická dynamická odezva a rychlost odezvy-zotavení připraveného zařízení. Regulátor průtoku se používá k nastavení toku a rychlosti plynů za účelem řízení jejich koncentrací. Vyrobené senzory jsou instalovány ve zkušební komoře a data citlivosti na plyn budou přímo přenášena do centrálního počítače pro zpracování (Wei et al ., 2019c).

Morfologie Ovládání Z 0-D DO 3-D

obecně platí, že změna odporu snímače způsobené oxidačně-redukční reakci mezi molekulami kyslíku a test molekuly plynu se používá k vysvětlit základní princip fungování plynové senzory. Morfologie povrchu a speciální hierarchické mikrostruktury mají zásadní vliv na výkon plynových senzorů. V tomto ohledu, různé morfologii od 0-D do 3-D s unikátní fyzikální a chemické vlastnosti byly úspěšně syntetizovány a podrobně prozkoumáno přes různé efektivní strategie (Guo et al., 2015; Yao a kol., 2015). Dodatečně, byly navrženy kontrolovatelné cesty syntézy nanostruktur WO3, které umožňují další zkoumání toho, jak morfologie povrchu ovlivňuje vlastnosti snímání plynů. Jak je znázorněno na Obrázku 1C, čtyři typické druhy nanostruktury, od 0-D do 3-D, může být řízené syntetizovány s různými efektivní strategie. Vzhledem k tomu je pro další optimalizaci výkonu senzorů založených na WO3 pro praktické použití zkoumání morfologie povrchu a speciální hierarchické struktury stále náročnou, ale smysluplnou prací.

0-Dimenzionální (0-D) WO3

Jako nejnižší dimenzionální struktura, 0-D WO3 byla zkoumána méně, protože je omezena jeho nízkou specifickou plochu povrchu a nedostatečná porézní strukturu. Tyto nevýhody omezují difúzi a adsorpci cílových molekul plynu během procesu snímání, což vede k neuspokojivým výkonům. Navíc během přípravy nanočástic 0-d WO3 a provozu vyrobeného senzoru může hrubnutí a aglomerace nanočástic snížit odezvu zařízení. Různé nanočástice WO3 však byly racionálně navrženy a syntetizovány. Na základě výše uvedených defektů mohou nanočástice WO3 s vysokou disperzitou a ultra malými průměry zlepšit výkon senzorů na bázi nanočástic. V tomto ohledu, Li et al. (2019) syntetizovány vysoce dispergovatelné WO3 nanočástice s velikostí v rozmezí od 10 do 50 nm a našli vyrobeny snímače vykazovaly vynikající plyn snímací výkon díky vysoce účinné povrchové plochy a dostatečné množství kyslíku volných pracovních míst.

1-Dimenzionální (1-D) WO3

1-D WO3 struktur, například, nanorods, nanovlákna, nanotrubičky, nanodrátky, jsou považovány za prospěšné nanostruktur s lepší speciální plochy ve srovnání. Také typická morfologie byla aplikována na detekci poruchových charakteristických plynů rozpuštěných v transformátorovém oleji. Wisitsoorat et al. (2013) vyvinutý 1-D WO3 nanorods pomocí magnetronového naprašování metoda, H2 sensor, na základě které vlastnil prominentní vlastnosti, včetně vysoké odezvy a rychlá odezva-doba zotavení. Pro další zvýšení výkonu 1 – D WO3 bylo potvrzeno, že dopování kovových iontů a zavádění povrchově aktivních látek jsou účinnými strategiemi pro zlepšení redoxní reakce a orientace speciálních struktur. Atomové platina (Pt), je považován za účinný doping prvek, který může optimalizovat snímací vlastnosti, a tato strategie může být vysvětleno tím, že vedlejší účinek kyslíku a zvýšení adsorpce a desorpce (Park et al., 2012).

2-Dimenzionální (2-D) WO3

ve Srovnání s nízkodimensionálních struktur, 2-D struktur mají větší speciální povrch pro cílové molekuly plynu, a proto vyšší plynu odpovědi (Dral a deset Elshof, 2018). Ve srovnání s převážnou 3-D struktury, volně stojící 2-D struktur, jako jsou nanosheets, nanoplates, a tenkých vrstev může poskytnout lepší optimalizace trasy včetně modulace materiály činnosti, povrchová polarizace a bohaté kyslíku volných pracovních míst. Navíc, hierarchické mikrostruktury sestavené tuhé, 2-D nanosheets má otevřený a dobře definované struktury, která může podporovat šíření cílové molekuly plynu (Opava a Pumera, 2019). Zejména v oblasti detekce poruchových charakteristických plynů v olejových transformátorech byly senzory založené na 2-D WO3 potvrzeny jako slibné kandidáty s vynikajícími výkony snímání plynu. Huang et al. (2020) syntetizovány Ru-naložený WO3 nanosheets přes povrchní impregnace metodou a oni věřili, že vyšší aktivita povrchu mřížky atomy kyslíku v WO3 nanosheets byl aktivován zavedení Ru. Ou a kol. (2012) vymyslel H2 senzory na bázi WO3 nanoplates na různé teploty kalcinace a prokázáno, že 2-D struktura má vyšší poměr povrchu k objemu, který jasně zvýšil počet povrchem interaktivní plochy, které by mohly v interakci s H2 molekuly.

3-Dimenzionální (3-D) WO3

Hierarchické 3-D struktury jsou vždy sestaveny z různých spodní rozměr základní bloky, jako nanočástice, nanorods, a nanosheets. Tyto různé sestavy, trasy, aby hierarchické mikrostruktury představují různé speciální morfologii, například, mikrokuličky, microflowers, mesoporous struktur, a další nepravidelné struktury. Dobře definované struktury, vždy mají větší speciální povrch a další jedinečné mikrostruktury, což vede k lepší plynu snímání představení, včetně vyšší odezvy, výraznější selektivitu, stabilitu a opakovatelnost (Zhang et al., 2013). Pro detekci poruchových charakteristických plynů, Zhang Y. X.et al. (2019) připravil mořský ježek-jako hexagonální struktura WO3 vytvořený uzavírací účinek síranu draselného (který může vyzvat anizotropní růst WO3) a H2 snímací výkon byl potvrzen využívat speciální hierarchické 3-D mikrostruktury. Wei a kol. (2017) syntetizovány duté květák-jako WO3 o povrchní hydrotermální proces a zjistil, že vyšší a rychlejší reakci na CO by mohly mít prospěch z duté porézní mikrostruktury.

Plyn Snímací Vlastnosti a Mechanismus

zlepšit výkony detekce poruchy charakteristické plynů v olejové transformátory, WO3 senzorů s různými hierarchické struktury byly potvrzeny být slibné kandidáty pro on-line monitorování olejové výkonové transformátory, vzhledem k jejich vynikající plyn snímací vlastnosti. V této části shrnujeme související práce na základě nedávno publikovaných výzkumů (Tabulka 1) a navrhujeme věrohodný mechanismus snímání plynu.

plyn snímací mechanismus WO3 senzorů může být prokázána jako změna odporu snímače způsobené oxidačně-redukční reakci mezi kyslíkem druhů (hlavně O−) a test molekuly plynu na povrchu syntetizovaných materiálů, jak je znázorněno na Obrázku 1D. Pro typické n-typ WO3 na základě snímání materiálů, molekuly kyslíku v testovacím prostředí se sníží, a adsorbované na povrchu materiálů tím, že zachytí elektrony z vedení kapely, a cílové molekuly plynu reagují s ionty kyslíku a uvolňování elektronů zpět do vedení kapely. Zapojené reakce lze popsat následovně (jako příklady se berou plyn H2 a CO):

Závěr

V této mini recenzi, jsme se zaměřili na syntézu strategie, morfologie ovládání, snímání experimentálních postupů a plynu snímání výkony hierarchické WO3 struktur od 0-D do 3-D. Jsou shrnuty a diskutovány vlastnosti snímání plynů různých vysoce výkonných senzorů založených na WO3, zejména s ohledem na detekci poruchových charakteristických plynů rozpuštěných v transformátorovém oleji. S rostoucím požadavkem pro kvalitní plynové senzory s vysokou reakce, výrazné selektivity, vynikající stabilitu a vynikající opakovatelnosti, bylo vyvinuto značné úsilí, aby navrhla účinnější syntézu trasy, více prospěšné morfologie kontrolu a přesnější experiment procesů. Lze předpokládat, že více a více hierarchické WO3 struktur bude racionálně navržené a připravené vzhledem k jejich složité mikrostruktury s vysokým speciální povrchové plochy, široké vnitřní kontaktní plochy, a dobře definované struktury. Tyto speciální hierarchické struktury poskytnou více difúzních cest, reaktivních míst a mikro reakčních prostorů pro adsorpci, retenci a reakci cílových molekul plynu. I když některé úspěchy byly provedeny prostřednictvím nepolevující úsilí, další vylepšení plynu snímací vlastnosti WO3 senzorů pro praktické aplikace je stále náročné, ale smysluplné práce. Doufáme, že naše práce může přispět nějakým prospěšným vedením k průzkumu morfologie povrchu a speciálních hierarchických struktur WO3. Navíc, kolik úsilí by mělo být vynaloženo na výrobu high-výkon WO3 senzorů s předvídatelně složité hierarchické struktury pro detekci různých plynů, zejména vinou charakteristické plyny rozpuštěné v transformátorové oleje.

Autor Příspěvky

Všichni autoři uvedených mít podstatné, přímé a intelektuální příspěvek k práci, a to schválil ke zveřejnění.

financování

tato práce byla částečně podpořena Národní přírodovědnou nadací Číny (č. 51507144), základními výzkumnými fondy pro centrální univerzity (č. XDJK2019B021), Chongqing Science and Technology Commission (Cstc) (No. cstc2016jcyjA0400) a projekt čínské stipendijní Rady (CSC).

střet zájmů

autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.