Frontiers in Chemistry

introduktion

sikker og pålidelig drift af transformatorer er af afgørende betydning for en stabil og kontinuerlig strømforsyning til elnettet (Lu et al., 2018; J. J. et Al., 2018; J. J. et al., 2018; Cui et al., 2019; Yang et al., 2019a, b). Hidtil udgør antallet af oliedykkede transformatorer mere end 90% af det samlede antal transformatorer, og driftstilstanden for disse transformatorer vil direkte påvirke tilstanden af elsystemer (Jhou et al., 2016; J. J. et Al., 2019). For en langvarig transformer vil delvis overophedning og delvis udledning føre til nedbrydning af transformerolie til en række fejlgasser, nemlig brint (H2), kulilte (CO), kulsyre (CO2), methan (CH4), acetylen (C2H2), ethylen (C2H4) og Ethan (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; J. J. et al., 2019). Derfor er detekteringen af disse fejlkarakteristika gasser blevet anvendt i vid udstrækning til at diagnosticere tidlige latente fejl og evaluere driftskvaliteten af oliedykkede transformatorer., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). I denne henseende har gassensorer af metaloksidhalvleder (MOS) tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres højtydende kapacitet og brede vifte af applikationer til påvisning af disse fejlkarakteristika gasser i transformerolie., 2013; J. J. et Al., 2019).

i betragtning af dette er forskellige metaloksider blevet undersøgt via forskellige synteseveje (Ge et al., 2017; Jens et al., 2018a, b; Et Al., 2019a). Af alle oksiderne, som en typisk N-type metaloksidhalvleder, har ULD3 tiltrukket en stor interesse på grund af dets fremragende fysisk-kemiske egenskaber (Miao et al., 2015; et al., 2019). For at forbedre gassensorernes ydeevne er der gjort en bæredygtig indsats for at syntetisere forskellige nanostrukturer såsom nanopartikler, nanoroder, nanosheets og nanoblomster., 2019b). Derudover har tidligere forskere bekræftet, at disse unikke strukturer er tæt forbundet med dets gasfølende egenskaber (Yu et al., 2016). Derfor er den morfologiske kontrollerbare syntese af forskellige hierarkiske ULD3-nanostrukturer og de forbedrede gasfølende præstationer deraf af stor betydning at udforske og diskutere. I denne gennemgang fokuserer vi på morfologi kontrollerbar syntese af hierarkiske ULD3 nanostrukturer inklusive 0-dimensionelle (0-D), 1-dimensionelle (1-D), 2-dimensionelle (2-D) og 3-dimensionelle (3-D). Derudover er den forbedrede gasfølende ydeevne og relaterede mekanismer, især påvisning af de opløste gasser i transformerolie, blevet introduceret.

syntese, Sensorfremstilling og måling

syntese af uldmaterialer med forskellige strategier

indtil nu er der foreslået forskellige effektive strategier til fremstilling af specielle overflademorfologier og derefter fremstilling af ULDBASEREDE sensorer med en forbedret gasfølerydelse. Blandt disse synteseruter er skabelonruten, hydrotermisk proces, elektrospinningsmetode og kemisk afsætning alle blevet brugt i vid udstrækning. M. D. et al. (2019) syntetiserede tredimensionelt porøse ULD3-materialer med forskellige porestørrelser via skabelonruten, og de foreslog et forhold mellem porestørrelsen og den forbedrede gasfølende ydeevne. Gibot et al. (2011) rapporterede skabelonsyntesen af et meget specifikt overfladeareal ULD3 nanopartikel og diskuterede overfladeegenskaber, morfologi og krystallografisk struktur i detaljer. Jin et al. (2019) udviklede forskellige typer ULD3 nanopartikler gennem en let hydrotermisk proces og foreslog den morfologiske kontrollerbare vej til ændring af andelen af reagenserne. Cao og Chen (2017) brugte en facile ctab (Heksadecyltrimethylammoniumbromid)-assisteret hydrotermisk metode til at syntetisere en urchinlignende ULD3 nanostruktur, og en sensor baseret på dette havde en fremragende gasfølende ydeevne på grund af dens specielle mikrostruktur. Giancaterini et al. (2016) undersøgte indflydelsen af termisk og synlig lysaktivering på responsen af ULD3 nanofibre via en elektrospinningsmetode. Jaroenapibal et al. (2018) præsenterede elektrospinningssyntesen af Ag-doterede ULD3 nanofibre og demonstrerede en forbedret gasfølingsmekanisme.

Sensorfremstilling og måling

for at undersøge gasfølerydelserne for de forskellige morfologier af ULD3-materialer bruges de forberedte prøver til at fremstille sideopvarmede strukturer, hvoraf de mest almindelige versioner er kendt som Plane og rørformede konfigurationer. Som afbildet i figur 1a, begge strukturer var sammensat af fire dele: sensing materialer, ledninger, elektrodesm, og substrat. Sensormaterialerne i sensorstrukturen fremstilles ved at opløse de opnåede ULD3-pulvere i en vand-ethanolblandet opløsning. Efter dannelse af en homogen opslæmning overtrækkes pastaen på et aluminakeramisk substrat jævnt for at opnå en sensorfilm., 2019a, b). Ledningerne bruges til at forbinde hele målekredsløbet, og elektroderne bruges til at måle ændringen i sensormodstand, som direkte afspejler ydeevnen for den fremstillede sensor., 2018a). Underlaget er normalt lavet af aluminium, som kan give pålidelig støtte til sensing materialer (Jhou et al., 2018c, d).

gassensorernes egenskaber undersøges ved hjælp af en statisk intelligent gassensoranalyseplatform. Figur 1b præsenterer et eksempel gassensor eksperimentel proces. I denne opsætning indføres baggrundsgas og målgas skiftevis i gaskammeret for at måle den karakteristiske dynamiske respons og responsgenvindingshastighed for den forberedte enhed. Strømningsregulatoren bruges til at justere strømmen og hastigheden af gasser for at kontrollere deres koncentrationer. De fremstillede sensorer er installeret i testkammeret, og gasfølsomhedsdataene overføres direkte til den centrale computer til behandling., 2019c).

Morfologikontrol fra 0-d til 3-D

generelt bruges ændringen i sensormodstand forårsaget af redoksreaktionen mellem iltmolekyler og testgasmolekyler til at forklare det grundlæggende driftsprincip for gassensorer. Overflademorfologien og specielle hierarkiske mikrostrukturer har en afgørende effekt på gassensorernes ydeevne. I denne henseende er forskellige morfologier fra 0-D til 3-D med unikke fysiske og kemiske egenskaber blevet syntetiseret og udforsket omfattende via forskellige effektive strategier (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Derudover er de styrbare synteseveje for ULD3 nanostrukturer blevet foreslået for at muliggøre yderligere undersøgelse af, hvordan overflademorfologi påvirker gasfølende egenskaber. Som vist i figur 1C kan de fire typiske typer nanostrukturer, fra 0-d til 3-D, syntetiseres kontrollerbart med forskellige effektive strategier. I betragtning af dette er udforskningen af overflademorfologi og speciel hierarkisk struktur stadig et udfordrende, men meningsfuldt arbejde for yderligere at optimere ydelsen af ULD3-baserede sensorer til praktisk anvendelse.

0-dimensionel (0-D) ULD3

som den laveste dimensionelle struktur er 0-D ULD3 blevet undersøgt mindre, da den er begrænset af dens lave specifikke overfladeareal og utilstrækkelig porøs struktur. Disse ulemper begrænser diffusion og adsorption af målgasmolekyler under sensorprocessen, hvilket fører til utilfredsstillende præstationer. Derudover, under fremstillingen af 0-D ULD3 nanopartikler og driften af den fremstillede sensor, kan grovdannelse og agglomerering af nanopartiklerne mindske enhedens respons. Imidlertid er forskellige ULD3 nanopartikler blevet rationelt designet og syntetiseret. Baseret på de ovennævnte defekter kan ULD3 nanopartikler med høj dispersivitet og ultra-små diametre forbedre ydeevnen for nanopartikelbaserede sensorer. I denne henseende, Li et al. (2019) syntetiserede meget dispergerbare ULD3 nanopartikler med størrelser fra 10 til 50 nm, og de fandt, at den fremstillede sensor udviste en fremragende gasfølerydelse på grund af det meget effektive overfladeareal og tilstrækkelige ilt ledige stillinger.

1-dimensionel (1-D) ULD3

1-D ULD3 strukturer, for eksempel nanoroder, nanofibre, nanorør og nanotråde, anses for at være gavnlige nanostrukturer med forbedrede specielle overfladearealer sammenlignet med. Også den typiske morfologi er blevet anvendt til påvisning af fejlkarakteristika gasser opløst i transformerolie. Et al. (2013) udviklede 1-D ULD3 nanoroder via en magnetronforstøvningsmetode, en H2-sensor baseret på hvilken havde fremtrædende egenskaber, herunder en høj respons og hurtig responsgenvindingstid. For yderligere at forbedre ydeevnen af 1-D ULD3, doping af metalioner og introduktion af overfladeaktive stoffer er blevet bekræftet at være effektive strategier til forbedring af redoksreaktionen og orienteringen af specielle strukturer. Atomic platinum (Pt) anses for at være et effektivt dopingelement, der kan optimere sensingegenskaberne, og denne strategi kan forklares ved spildeffekten af iltarter og forbedring af adsorption og desorption (Park et al., 2012).

2-dimensionel (2-D) ULD3

sammenlignet med lavdimensionelle strukturer har 2-D strukturer et større specielt overfladeareal for målgasmolekylerne og derfor højere gasresponser (Dral og ten Elshof, 2018). I sammenligning med bulk 3-D-strukturen kan fritstående 2-d-strukturer såsom nanoark, nanoplater og tynde film give bedre optimeringsruter, herunder modulering af materialeaktiviteten, overfladepolarisering og rige ilt ledige stillinger. Derudover har den hierarkiske mikrostruktur samlet af stive 2-D nanoark en åben og veldefineret struktur, der kan fremme diffusionen af målgasmolekyler (Nasir og Pumera, 2019). Især inden for påvisning af fejlkarakteristika gasser i oliedykkede transformere, 2-D ULD3-baserede sensorer er blevet bekræftet at være lovende kandidater med fremragende gasfølerpræstationer. Huang et al. (2020) syntetiserede Ru-belastede ULD3 nanoark via en let imprægneringsmetode, og de mente, at den højere aktivitet af overfladegitterilter i ULD3 nanoark blev aktiveret ved introduktionen af Ru. Ou et al. (2012) fremstillede H2-sensorer baseret på ULD3 nanoplater ved forskellige kalcineringstemperaturer og beviste, at 2-D-strukturen har et højere forhold mellem overflade og volumen, hvilket klart øgede antallet af overfladeinteraktive områder, der kunne interagere med H2-molekyler.

3-dimensionelle (3-D) ULD3

hierarkiske 3-D strukturer er altid samlet fra forskellige grundlæggende blokke med lavere dimension, såsom nanopartikler, nanoroder og nanosheets. Disse forskellige samlingsruter får de hierarkiske mikrostrukturer til at præsentere forskellige specielle morfologier, for eksempel mikrosfærer, mikroblomster, mesoporøse strukturer og andre uregelmæssige strukturer. De veldefinerede strukturer har altid et større specielt overfladeareal og mere unikke mikrostrukturer, hvilket fører til bedre gasfølende præstationer inklusive højere responstider, mere fremtrædende selektivitet, stabilitet og repeterbarhed., 2013). For at detektere fejl karakteristiske gasser, Jang Y. H. et al. (2019) forberedte en søpindsvin-lignende sekskantet ULD3-struktur skabt af capping-effekten af kaliumsulfat (som kan fremkalde den anisotropiske vækst af ULD3), og H2-sensing-ydeevnen blev bekræftet for at drage fordel af den specielle hierarkiske 3-D-mikrostruktur. Et al. (2017) syntetiseret hul blomkållignende ULD3 ved en let hydrotermisk proces og fandt ud af, at det højere og hurtigere respons på CO kunne drage fordel af den hule porøse mikrostruktur.

Gassensoregenskaber og mekanisme

for at forbedre ydeevnen ved påvisning af fejlkarakteristika gasser i oliedykkede transformere er det bekræftet, at V3-baserede sensorer med forskellige hierarkiske strukturer er lovende kandidater til on-line overvågning af oliedykkede effekttransformatorer på grund af deres fremragende gassensoregenskaber. I dette afsnit opsummerer vi de relaterede værker baseret på de nyligt offentliggjorte undersøgelser (tabel 1) og foreslår en plausibel gasfølingsmekanisme.

gasfølingsmekanismen for de ULD3− baserede sensorer kan påvises som ændringen i sensormodstand forårsaget af omoksreaktionen mellem iltarterne (hovedsageligt O -) og testgasmolekyler på overfladen af syntetiserede materialer, som vist i figur 1D. For typiske N-type ULD3-baserede sensingmaterialer reduceres iltmolekylerne i testmiljøet og adsorberes på overfladen af materialerne ved at fange elektronerne fra ledningsbåndet, og målgasmolekylerne reagerer med iltioner og frigiver elektronerne tilbage til ledningsbåndet. De involverede reaktioner kan beskrives som følger (H2 og CO gas er taget som eksempler):