Grenzen in der Chemie

Einleitung

Der sichere und zuverlässige Betrieb von Transformatoren ist von entscheidender Bedeutung für eine stabile und kontinuierliche Stromversorgung des Stromnetzes (Lu et al., 2018; Zhang D. Z. et al., 2018; Zhang Q. Y. et al., 2018; Cui et al., 2019; Yang et al., 2019a,b). Bis heute macht die Anzahl der Öltransformatoren mehr als 90% der Gesamtzahl der Leistungstransformatoren aus, und der Betriebszustand dieser Leistungstransformatoren wirkt sich direkt auf den Zustand der Stromversorgungssysteme aus (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). Bei einem lang laufenden Transformator führen teilweise Überhitzung und teilweise Entladung zur Zersetzung von Transformatoröl in eine Vielzahl von Störgasen, nämlich Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Acetylen (C2H2), Ethylen (C2H4) und Ethan (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Daher wurde die Erkennung dieser Fehlercharakteristikgase umfassend angewendet, um frühe latente Fehler zu diagnostizieren und die Betriebsqualität von Öltransformatoren zu bewerten (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). In dieser Hinsicht haben Metalloxid-Halbleiter (MOS) -Gassensoren aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit und ihres breiten Anwendungsspektrums zur Detektion dieser Fehlercharakteristikgase in Transformatorenöl (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Metalloxide über verschiedene Synthesewege untersucht (Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018a,b; Wei et al., 2019a). Von allen Oxiden hat WO3 als typischer Metalloxid-Halbleiter vom n-Typ aufgrund seiner hervorragenden physikochemischen Eigenschaften ein großes Interesse erregt (Miao et al., 2015; J.S. H. et al., 2019). Um die Leistung der Gassensoren zu verbessern, wurden nachhaltige Anstrengungen unternommen, um verschiedene Nanostrukturen wie Nanopartikel, Nanostäbe, Nanoblätter und Nanoflowers zu synthetisieren (Wei et al., 2019b). Darüber hinaus haben frühere Forscher bestätigt, dass diese einzigartigen Strukturen eng mit ihren gassensorischen Eigenschaften zusammenhängen (Yu et al., 2016). Daher ist die Morphologie und Synthese verschiedener hierarchischer WO3-Nanostrukturen und deren verbesserte Gassensorik von großer Bedeutung, um sie zu erforschen und zu diskutieren. In dieser Übersicht konzentrieren wir uns auf die Morphologie und Synthese hierarchischer WO3-Nanostrukturen, einschließlich 0-dimensionaler (0-D), 1-dimensionaler (1-D), 2-dimensionaler (2-D) und 3-dimensionaler (3-D). Darüber hinaus wurden die verbesserte Gassensorleistung und die damit verbundenen Mechanismen, insbesondere die Erkennung der gelösten Gase in Transformatoröl, eingeführt.

Synthese, Sensorherstellung und Messung

Synthese von WO3-Materialien mit unterschiedlichen Strategien

Bisher wurden verschiedene effektive Strategien vorgeschlagen, um spezielle Oberflächenmorphologien herzustellen und dann WO3-basierte Sensoren mit einer verbesserten Gassensorleistung herzustellen. Unter diesen Syntheserouten sind die Templat-Route, der hydrothermale Prozess, das Elektrospinnverfahren und die chemische Abscheidung weit verbreitet. Wang M. D. et al. (2019) synthetisierten dreidimensional poröse WO3-Materialien mit unterschiedlichen Porengrößen über den Template-Weg und schlugen eine Beziehung zwischen der Porengröße und der verbesserten Gassensorleistung vor. Gibot et al. (2011) berichteten über die Templat-Synthese eines hochspezifischen Oberflächen-WO3-Nanopartikels und diskutierten die Oberflächeneigenschaften, Morphologie und kristallographische Struktur im Detail. Jin et al. (2019) entwickelten verschiedene Arten von WO3-Nanopartikeln durch einen einfachen hydrothermalen Prozess und schlugen den morphologisch kontrollierbaren Weg zur Änderung des Anteils der Reagenzien vor. Cao und Chen (2017) verwendeten eine facile CTAB (Hexadecyltrimethylammoniumbromid) -unterstützte hydrothermale Methode, um eine Urchin-ähnliche WO3-Nanostruktur zu synthetisieren, und ein darauf basierender Sensor besaß aufgrund seiner speziellen Mikrostruktur eine ausgezeichnete Gassensorleistung. In: Giancaterini et al. (2016) untersuchten den Einfluss der thermischen und sichtbaren Lichtaktivierung auf die Reaktion von WO3-Nanofasern mittels einer Elektrospinnmethode. Jaroenapibal et al. (2018) präsentierte die Elektrospinnsynthese von Ag-dotierten WO3-Nanofasern und demonstrierte einen verbesserten Gassensormechanismus.

Sensorherstellung und -messung

Um die Gaserkennungsleistungen der verschiedenen Morphologien von WO3-Materialien zu untersuchen, werden die vorbereiteten Proben verwendet, um seitenbeheizte Strukturen herzustellen, deren gebräuchlichste Versionen als planare und röhrenförmige Konfigurationen bekannt sind. Wie in Abbildung 1A dargestellt, bestanden beide Strukturen aus vier Teilen: Sensormaterialien, Drähten, Elektroden und Substrat. Die Sensormaterialien in der Sensorstruktur werden hergestellt, indem die erhaltenen WO3-Pulver in einer Wasser-Ethanol-Mischlösung gelöst werden. Nach der Bildung einer homogenen Aufschlämmung wird die Paste gleichmäßig auf ein Aluminiumoxidkeramiksubstrat beschichtet, um einen Sensorfilm zu erhalten (Zhou et al., 2019a,b). Die Drähte werden verwendet, um die gesamte Messschaltung zu verbinden, und die Elektroden werden verwendet, um die Änderung des Sensorwiderstands zu messen, die direkt die Leistung des hergestellten Sensors widerspiegelt (Zhou et al., 2018a). Das Substrat besteht normalerweise aus Aluminium, das zuverlässige Unterstützung für Sensormaterialien bieten kann (Zhou et al., 2018c, d).

Die gassensorischen Eigenschaften von hergestellten WO3-basierten Sensoren werden mit einer statischen intelligenten gassensorischen Analyseplattform untersucht. Abbildung 1B zeigt ein Beispiel eines experimentellen Prozesses für Gassensoren. Bei diesem Aufbau werden das Hintergrundgas und das Zielgas abwechselnd in die Gaskammer eingeführt, um das charakteristische dynamische Verhalten und die Reaktionsrückgewinnungsrate der vorbereiteten Vorrichtung zu messen. Der Durchflussregler wird verwendet, um den Fluss und die Geschwindigkeit von Gasen einzustellen, um ihre Konzentrationen zu steuern. Die gefertigten Sensoren werden in der Prüfkammer installiert und die Gasempfindlichkeitsdaten werden zur Verarbeitung direkt an den Zentralcomputer übertragen (Wei et al., 2019c).

Morphologiesteuerung Von 0-D AUF 3-D

Im Allgemeinen wird die durch die Redoxreaktion zwischen Sauerstoffmolekülen und Testgasmolekülen verursachte Änderung des Sensorwiderstands verwendet, um das grundlegende Funktionsprinzip von Gassensoren zu erklären. Die Oberflächenmorphologie und spezielle hierarchische Mikrostrukturen haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Gassensoren. In dieser Hinsicht wurden verschiedene Morphologien von 0-D bis 3-D mit einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften erfolgreich synthetisiert und über verschiedene effektive Strategien umfassend erforscht (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Darüber hinaus wurden die steuerbaren Synthesewege von WO3-Nanostrukturen vorgeschlagen, um weitere Untersuchungen darüber zu ermöglichen, wie sich die Oberflächenmorphologie auf die Gassensoreigenschaften auswirkt. Wie in Abbildung 1C gezeigt, können die vier typischen Arten von Nanostrukturen von 0-D bis 3-D mit verschiedenen effektiven Strategien steuerbar synthetisiert werden. Um die Leistung von WO3-basierten Sensoren für die praktische Anwendung weiter zu optimieren, ist die Erforschung der Oberflächenmorphologie und der speziellen hierarchischen Struktur immer noch eine herausfordernde, aber sinnvolle Arbeit.

0-Dimensional (0-D) WO3

Als niedrigste dimensionale Struktur wurde 0-D WO3 weniger untersucht, da es durch seine geringe spezifische Oberfläche und unzureichende poröse Struktur begrenzt ist. Diese Nachteile begrenzen die Diffusion und Adsorption von Zielgasmolekülen während des Erfassungsprozesses, was zu unbefriedigenden Leistungen führt. Zusätzlich kann während der Herstellung von 0-D WO3-Nanopartikeln und des Betriebs des hergestellten Sensors die Vergröberung und Agglomeration der Nanopartikel die Reaktion der Vorrichtung verringern. Verschiedene WO3-Nanopartikel wurden jedoch rational entworfen und synthetisiert. Basierend auf den oben genannten Defekten könnten WO3-Nanopartikel mit hoher Dispersivität und ultrakleinen Durchmessern die Leistung von Nanopartikel-basierten Sensoren verbessern. In dieser Hinsicht haben Li et al. (2019) synthetisierten hochdispergierbare WO3-Nanopartikel mit Größen von 10 bis 50 nm und fanden heraus, dass der hergestellte Sensor aufgrund der hocheffektiven Oberfläche und ausreichender Sauerstoffleerstellen eine hervorragende Gassensorleistung aufwies.

1-dimensionale (1-D) WO3

1-D WO3-Strukturen, beispielsweise Nanostäbe, Nanofasern, Nanoröhren und Nanodrähte, werden als vorteilhafte Nanostrukturen mit verbesserten speziellen Oberflächen im Vergleich zu angesehen. Auch die typische Morphologie wurde auf die Erkennung der Fehlercharakteristik Gase in Transformatoröl gelöst angewendet. Wisitsoorat et al. (2013) entwickelten 1-D WO3-Nanostäbe über ein Magnetron-Sputterverfahren, einen H2-Sensor, auf dessen Basis herausragende Eigenschaften wie eine hohe Reaktion und eine schnelle Reaktionswiederherstellungszeit erzielt wurden. Um die Leistung von 1-D WO3 weiter zu verbessern, haben sich die Dotierung von Metallionen und die Einführung von Tensiden als wirksame Strategien zur Verbesserung der Redoxreaktion und der Orientierung spezieller Strukturen erwiesen. Atomares Platin (Pt) wird als ein effektives Dotierungselement angesehen, das die sensorischen Eigenschaften optimieren kann, und diese Strategie kann durch den Spillover-Effekt von Sauerstoffspezies und die Verbesserung der Adsorption und Desorption erklärt werden (Park et al., 2012).

2-dimensionales (2-D) WO3

Im Vergleich zu niedrigdimensionalen Strukturen besitzen 2-D-Strukturen eine größere spezielle Oberfläche für die Zielgasmoleküle und damit höhere Gasreaktionen (Dral und ten Elshof, 2018). Im Vergleich zur Bulk-3D-Struktur können freistehende 2D-Strukturen wie Nanoblätter, Nanoplatten und dünne Filme bessere Optimierungswege bieten, einschließlich der Modulation der Materialaktivität, der Oberflächenpolarisation und der reichen Sauerstoffleerstellen. Darüber hinaus besitzt die hierarchische Mikrostruktur, die aus starren 2D-Nanoblättern zusammengesetzt ist, eine offene und genau definierte Struktur, die die Diffusion von Zielgasmolekülen fördern kann (Nasir und Pumera, 2019). Insbesondere im Bereich der Detektion von Fehlercharakteristikgasen in Öltransformatoren haben sich 2-D WO3-basierte Sensoren als vielversprechende Kandidaten mit hervorragenden Gassensorleistungen erwiesen. In: Huang et al. (2020) synthetisierten Ru-beladene WO3-Nanoblätter über ein einfaches Imprägnierungsverfahren und glaubten, dass die höhere Aktivität von Oberflächengitteroxygenen in WO3-Nanoblättern durch die Einführung von Ru aktiviert wurde. In: Ou et al. (2012) stellten H2-Sensoren her, die auf WO3-Nanoplatten bei verschiedenen Kalzinierungstemperaturen basierten, und bewiesen, dass die 2D-Struktur ein höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweist, was die Anzahl der interaktiven Oberflächenbereiche, die mit H2-Molekülen interagieren können, deutlich erhöhte.

3-Dimensional (3-D) WO3

Hierarchische 3-D-Strukturen werden immer aus verschiedenen fundamentalen Blöcken niedrigerer Dimension wie Nanopartikeln, Nanostäben und Nanoblättern zusammengesetzt. Diese verschiedenen Montagewege führen dazu, dass die hierarchischen Mikrostrukturen unterschiedliche spezielle Morphologien aufweisen, beispielsweise Mikrokugeln, Mikroblumen, mesoporöse Strukturen und andere unregelmäßige Strukturen. Die gut definierten Strukturen besitzen immer eine größere spezielle Oberfläche und einzigartigere Mikrostrukturen, was zu besseren Gassensorleistungen führt, einschließlich höherer Reaktionszeiten, prominenterer Selektivität, Stabilität und Wiederholbarkeit (Zhang et al., 2013). Um fehlercharakteristische Gase zu erkennen, haben Zhang Y. X. et al. (2019) bereitete eine seeigelartige hexagonale WO3-Struktur vor, die durch den Capping-Effekt von Kaliumsulfat erzeugt wurde (was das anisotrope Wachstum von WO3 auslösen kann), und es wurde bestätigt, dass die H2-Sensorleistung von der speziellen hierarchischen 3D-Mikrostruktur profitiert. Wei et al. (2017) synthetisierten hohles blumenkohlähnliches WO3 durch einen einfachen hydrothermalen Prozess und fanden heraus, dass die höhere und schnellere Reaktion auf CO von der hohlen porösen Mikrostruktur profitieren könnte.

Gaserkennungseigenschaften und -mechanismus

Um die Leistung der Erkennung von Fehlercharakteristikgasen in Öltransformatoren zu verbessern, haben sich WO3-basierte Sensoren mit unterschiedlichen hierarchischen Strukturen aufgrund ihrer hervorragenden Gaserkennungseigenschaften als vielversprechende Kandidaten für die Online-Überwachung von Öltransformatoren erwiesen. In diesem Abschnitt fassen wir die verwandten Arbeiten auf der Grundlage der kürzlich veröffentlichten Untersuchungen zusammen (Tabelle 1) und schlagen einen plausiblen Gassensormechanismus vor.

Der Gassensormechanismus der WO3−basierten Sensoren kann als die Änderung des Sensorwiderstands demonstriert werden, die durch die Redoxreaktion zwischen den Sauerstoffspezies (hauptsächlich O-) und Testgasmolekülen auf der Oberfläche synthetisierter Materialien verursacht wird, wie in Abbildung 1D gezeigt. Bei typischen n-Typ-WO3-basierten Sensormaterialien werden die Sauerstoffmoleküle in der Testumgebung reduziert und an der Oberfläche der Materialien adsorbiert, indem die Elektronen aus dem Leitungsband eingefangen werden, und die Zielgasmoleküle reagieren mit den Sauerstoffionen und geben die Elektronen zurück zum Leitungsband. Die beteiligten Reaktionen können wie folgt beschrieben werden (H2- und CO-Gas werden als Beispiele genommen):

Fazit

In diesem Mini-Review konzentrieren wir uns auf die Synthesestrategien, Morphologiekontrolle, experimentelle Verfahren und Gassensorik von hierarchischen WO3-Strukturen von 0-D bis 3-D. Die Gaserkennungseigenschaften verschiedener hochleistungsfähiger WO3-basierter Sensoren werden zusammengefasst und diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die Erkennung von in Transformatoröl gelösten Fehlercharakteristikgasen. Mit einem steigenden Bedarf an hochwertigen Gassensoren mit hohen Ansprechraten, herausragender Selektivität, hervorragender Stabilität und ausgezeichneter Wiederholbarkeit wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um effektivere Syntheserouten, vorteilhaftere Morphologiekontrolle und genauere Experimentprozesse vorzuschlagen. Es ist absehbar, dass immer mehr hierarchische WO3-Strukturen aufgrund ihrer komplizierten Mikrostrukturen mit hohen Spezialoberflächen, breiter interner Kontaktfläche und wohldefinierten Strukturen rational gestaltet und vorbereitet werden. Diese speziellen hierarchischen Strukturen bieten mehr Diffusionswege, reaktive Stellen und Mikroreaktionsräume für die Adsorption, Retention und Reaktion von Zielgasmolekülen. Obwohl durch unermüdliche Bemühungen einige Erfolge erzielt wurden, ist die weitere Verbesserung der gassensorischen Eigenschaften von WO3-basierten Sensoren für praktische Anwendungen immer noch eine herausfordernde, aber sinnvolle Arbeit. Wir hoffen, dass unsere Arbeit zur Erforschung der Oberflächenmorphologie und der speziellen hierarchischen Strukturen von WO3 beitragen kann. Darüber hinaus sollte viel Aufwand betrieben werden, um leistungsstarke WO3-basierte Sensoren mit vorhersagbar komplizierten hierarchischen Strukturen zur Erkennung verschiedener Gase, insbesondere der in Transformatoröl gelösten Fehlercharakteristikgase, herzustellen.

Autorenbeiträge

Alle aufgeführten Autoren haben einen wesentlichen, direkten und intellektuellen Beitrag zum Werk geleistet und es zur Veröffentlichung freigegeben.

Finanzierung

Diese Arbeit wurde zum Teil von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51507144), Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nr. XDJK2019B021), der Chongqing Science and Technology Commission (CSTC) (Nr. cstc2016jcyjA0400) und das Projekt des China Scholarship Council (CSC).

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.