- Introducción
- Síntesis, Fabricación y Medición de sensores
- Síntesis de materiales WO3 Con diferentes Estrategias
- Fabricación y medición de sensores
- Control de morfología De 0-D A 3-D
- WO3 0-Dimensional (0-D)
- WO3 1-Dimensional (1-D)
- WO3 2-Dimensional (2-D)
- WO3 de 3 dimensiones (3D)
- Propiedades y mecanismo de detección de gas
- Conclusión
- Contribuciones de los autores
- Financiación
- Conflicto de Intereses
Introducción
El funcionamiento seguro y confiable de los transformadores es de vital importancia para un suministro de energía estable y continuo a la red eléctrica (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). Hasta la fecha, el número de transformadores sumergidos en aceite representa más del 90% del número total de transformadores de potencia, y el estado de funcionamiento de estos transformadores de potencia afectará directamente el estado de los sistemas de energía (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). Para un transformador de larga duración, el sobrecalentamiento parcial y la descarga parcial llevarán a la descomposición del aceite del transformador en una variedad de gases de falla, a saber, hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), acetileno (C2H2), etileno (C2H4) y etano (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Por lo tanto, la detección de estos gases característicos de falla se ha aplicado ampliamente para diagnosticar fallas latentes tempranas y evaluar la calidad de operación de transformadores sumergidos en aceite (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). A este respecto, los sensores de gas semiconductores de óxido metálico (MOS) han atraído una atención considerable debido a su capacidad de alto rendimiento y su amplia gama de aplicaciones para la detección de estos gases característicos de falla en el aceite de transformador (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).
Dado esto, se han investigado varios óxidos metálicos a través de diferentes rutas de síntesis(Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018a, b; Wei et al., 2019a). De todos los óxidos, como semiconductor típico de óxido metálico de tipo n, WO3 ha atraído un gran interés debido a sus excelentes propiedades fisicoquímicas (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). Para mejorar el rendimiento de los sensores de gas, se han realizado esfuerzos sostenibles para sintetizar varias nanoestructuras, como nanopartículas, nanorodos, nanoramas y nanoflores (Wei et al., 2019b). Además, investigadores anteriores han confirmado que estas estructuras únicas están estrechamente relacionadas con sus propiedades de detección de gases (Yu et al., 2016). Por lo tanto, la síntesis controlable de morfología de diferentes nanoestructuras WO3 jerárquicas y el rendimiento mejorado de detección de gases de las mismas son de gran importancia para explorar y discutir. En esta revisión, nos centramos en la síntesis controlable de la morfología de nanoestructuras WO3 jerárquicas, incluidas 0-dimensionales (0-D), 1-dimensionales (1-D), 2-dimensionales (2-D) y 3-dimensionales (3-D). Además, se han introducido el rendimiento mejorado de detección de gases y los mecanismos relacionados, especialmente la detección de gases disueltos en el aceite del transformador.
Síntesis, Fabricación y Medición de sensores
Síntesis de materiales WO3 Con diferentes Estrategias
Hasta ahora, se han propuesto varias estrategias efectivas para preparar morfologías de superficies especiales y luego fabricar sensores basados en WO3 con un rendimiento mejorado de detección de gases. Entre estas rutas de síntesis, se han utilizado ampliamente la ruta de la plantilla, el proceso hidrotermal, el método de electrospinning y la deposición química. Wang M. D. et al. (2019) sintetizaron materiales de WO3 tridimensionalmente porosos con diferentes tamaños de poros a través de la ruta de la plantilla, y propusieron una relación entre el tamaño de los poros y el rendimiento mejorado de detección de gases. Gibot et al. (2011) informaron sobre la síntesis de plantillas de una nanopartícula WO3 de área de superficie altamente específica y discutieron en detalle las propiedades de la superficie, la morfología y la estructura cristalográfica. Jin et al. (2019) desarrollaron diferentes tipos de nanopartículas WO3 a través de un proceso hidrotermal fácil y propusieron la ruta controlable de morfología para cambiar la proporción de reactivos. Cao y Chen (2017) utilizaron un método hidrotermal asistido por CTAB (bromuro de hexadecil trimetil amonio) para sintetizar una nanoestructura WO3 similar a un erizo, y un sensor basado en esto poseía un excelente rendimiento de detección de gases debido a su microestructura especial. Giancaterini et al. (2016) investigaron la influencia de la activación térmica y de la luz visible en la respuesta de las nanofibras WO3 a través de un método de electrospinning. Jaroenapibal et al. (2018) presentó la síntesis electrospinning de nanofibras WO3 dopadas con Ag y demostró un mecanismo mejorado de detección de gases.
Fabricación y medición de sensores
Para investigar el rendimiento de detección de gases de las diferentes morfologías de materiales WO3, las muestras preparadas se utilizan para fabricar estructuras de calentamiento lateral, cuyas versiones más comunes se conocen como configuraciones planas y tubulares. Como se muestra en la Figura 1A, ambas estructuras se componían de cuatro partes: materiales de detección, cables, electrodos y sustrato. Los materiales de detección en la estructura del sensor se preparan disolviendo los polvos de WO3 obtenidos en una solución mixta de agua y etanol. Después de formar una mezcla homogénea, la pasta se recubre sobre un sustrato cerámico de alúmina de manera uniforme para obtener una película de detección(Zhou et al., 2019a, b). Los cables se utilizan para conectar todo el circuito de medición y los electrodos se utilizan para medir el cambio en la resistencia del sensor que refleja directamente el rendimiento del sensor fabricado (Zhou et al., 2018a). El sustrato generalmente está hecho de aluminio, que puede proporcionar un soporte confiable para detectar materiales(Zhou et al., 2018c, d).
la Figura 1. A) Diagrama esquemático de estructuras de sensores. B) Ilustración esquemática de una plataforma experimental de detección de gases. C) Rutas de síntesis de diferentes morfologías. Nanopartículas. Reimpreso con permiso de Kwon et al. Copyright (2010) American Chemical Society. Nanohilos. Reimpreso con permiso de Wang et al. Copyright (2008) American Chemical Society. Nanosheets. Reimpreso con permiso de Zhang et al. Copyright (2015) American Chemical Society. Nanoflores. Reimpreso con permiso de Liu et al. Copyright (2010) American Chemical Society. D) Mecanismo de detección de gases.
Las propiedades de detección de gas de los sensores fabricados basados en WO3 se investigan utilizando una plataforma de análisis de detección de gas inteligente estática. La Figura 1B presenta un ejemplo de proceso experimental con sensor de gas. En esta configuración, el gas de fondo y el gas objetivo se introducen alternativamente en la cámara de gas para medir la respuesta dinámica característica y la tasa de respuesta y recuperación del dispositivo preparado. El controlador de flujo se utiliza para ajustar el flujo y la velocidad de los gases con el fin de controlar sus concentraciones. Los sensores fabricados se instalan en la cámara de prueba y los datos de sensibilidad del gas se transmiten directamente a la computadora central para su procesamiento(Wei et al., 2019c).
Control de morfología De 0-D A 3-D
En general, el cambio en la resistencia del sensor causado por la reacción redox entre las moléculas de oxígeno y las moléculas de gas de prueba se utiliza para explicar el principio de funcionamiento básico de los sensores de gas. La morfología de la superficie y las microestructuras jerárquicas especiales tienen un efecto crucial en el rendimiento de los sensores de gas. En este sentido, varias morfologías de 0-D a 3-D con propiedades físicas y químicas únicas se han sintetizado con éxito y se han explorado ampliamente a través de diferentes estrategias efectivas (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Además, se han propuesto rutas de síntesis controlables de nanoestructuras WO3 para permitir una mayor investigación sobre cómo la morfología de la superficie afecta las propiedades de detección de gases. Como se muestra en la Figura 1C, los cuatro tipos típicos de nanoestructuras, de 0-D a 3-D, se pueden sintetizar controlablemente con diferentes estrategias efectivas. Dado esto, para optimizar aún más el rendimiento de los sensores basados en WO3 para su aplicación práctica, la exploración de la morfología de la superficie y la estructura jerárquica especial sigue siendo un trabajo desafiante pero significativo.
WO3 0-Dimensional (0-D)
Como la estructura dimensional más baja, WO3 0-D se ha investigado menos, ya que está limitada por su baja superficie específica y su estructura porosa insuficiente. Estas desventajas limitan la difusión y adsorción de las moléculas de gas objetivo durante el proceso de detección, lo que conduce a un rendimiento insatisfactorio. Además, durante la preparación de nanopartículas WO3 0-D y el funcionamiento del sensor fabricado, el engrosamiento y la aglomeración de las nanopartículas podrían disminuir la respuesta del dispositivo. Sin embargo, varias nanopartículas WO3 se han diseñado y sintetizado racionalmente. Basándose en los defectos mencionados anteriormente, las nanopartículas WO3 con alta dispersividad y diámetros ultrapequeños podrían mejorar el rendimiento de los sensores basados en nanopartículas. A este respecto, Li et al. (2019) sintetizaron nanopartículas WO3 altamente dispersables con tamaños que van de 10 a 50 nm y encontraron que el sensor fabricado exhibía un excelente rendimiento de detección de gases debido a la superficie altamente efectiva y las suficientes vacantes de oxígeno.
WO3 1-Dimensional (1-D)
Las estructuras WO3 1-D, por ejemplo, nanorodos, nanofibras, nanotubos y nanohilos, se consideran nanoestructuras beneficiosas con áreas de superficie especiales mejoradas en comparación con. Además, se ha aplicado la morfología típica a la detección de los gases característicos de falla disueltos en el aceite del transformador. Wisitsoorat et al. (2013) desarrollaron nanorods WO3 1-D a través de un método de pulverización catódica de magnetrón, un sensor H2 basado en el cual poseía propiedades prominentes que incluían una respuesta alta y un tiempo de recuperación de respuesta rápido. Para mejorar aún más el rendimiento de 1-D WO3, se ha confirmado que el dopaje de iones metálicos y la introducción de surfactantes son estrategias efectivas para mejorar la reacción redox y la orientación de estructuras especiales. El platino atómico (Pt) se considera un elemento dopante eficaz que puede optimizar las propiedades de detección y esta estrategia se puede explicar por el efecto de derrame de las especies de oxígeno y la mejora de la adsorción y desorción (Park et al., 2012).
WO3 2-Dimensional (2-D)
En comparación con las estructuras de baja dimensión, las estructuras 2-D poseen una mayor área de superficie especial para las moléculas de gas objetivo y, por lo tanto, respuestas de gas más altas (Dral y ten Elshof, 2018). En comparación con la estructura 3D a granel, las estructuras 2D independientes, como nanoplatos, nanoplatos y películas delgadas, pueden proporcionar mejores rutas de optimización, incluida la modulación de la actividad de los materiales, la polarización de la superficie y las vacantes ricas en oxígeno. Además, la microestructura jerárquica ensamblada por nanoplantas rígidas 2-D posee una estructura abierta y bien definida que puede promover la difusión de moléculas de gas objetivo (Nasir y Pumera, 2019). Especialmente en el campo de la detección de gases característicos de falla en transformadores sumergidos en aceite, se ha confirmado que los sensores basados en WO3 2D son candidatos prometedores con excelentes prestaciones de detección de gases. Huang et al. (2020) sintetizaron nanoarjetas WO3 cargadas con Ur a través de un método de impregnación fácil y creían que la mayor actividad de los oxígenos de celosía de superficie en las nanoarjetas WO3 se activaba con la introducción de Ur. Ou et al. (2012) fabricaron sensores H2 basados en nanoplatos WO3 a diferentes temperaturas de calcinación y demostraron que la estructura 2d posee una mayor relación superficie / volumen, lo que aumentó claramente el número de áreas interactivas de superficie que podrían interactuar con moléculas H2.
WO3 de 3 dimensiones (3D)
Las estructuras jerárquicas en 3D siempre se ensamblan a partir de diversos bloques fundamentales de dimensiones inferiores, como nanopartículas, nanorod y nanos hojas. Estas diversas rutas de ensamblaje hacen que las microestructuras jerárquicas presenten diferentes morfologías especiales, por ejemplo, microesferas, microflores, estructuras mesoporosas y otras estructuras irregulares. Las estructuras bien definidas siempre poseen un área de superficie especial más grande y microestructuras más únicas, lo que lleva a mejores rendimientos de detección de gases, incluidos tiempos de respuesta más altos, selectividad, estabilidad y repetibilidad más prominentes (Zhang et al., 2013). Para detectar gases característicos de falla, Zhang Y. X. et al. (2019) prepararon una estructura de WO3 hexagonal similar a un erizo de mar creada por el efecto de tapado del sulfato de potasio (que puede provocar el crecimiento anisotrópico de WO3) y se confirmó que el rendimiento de detección de H2 se beneficiaba de la microestructura jerárquica especial 3D. Wei et al. (2017) sintetizaron WO3 hueca similar a la coliflor mediante un proceso hidrotermal fácil y descubrieron que la respuesta más alta y rápida al CO podría beneficiarse de la microestructura porosa hueca.
Propiedades y mecanismo de detección de gas
Para mejorar el rendimiento de la detección de gases característicos de falla en transformadores sumergidos en aceite, se ha confirmado que los sensores basados en WO3 con diferentes estructuras jerárquicas son candidatos prometedores para el monitoreo en línea de transformadores de potencia sumergidos en aceite debido a sus excelentes propiedades de detección de gas. En esta sección, resumimos los trabajos relacionados basados en las investigaciones recientemente publicadas (Tabla 1) y proponemos un mecanismo de detección de gases plausible.
la Tabla 1. Resumen de investigaciones recientes sobre sensores basados en WO3 para la detección de gases característicos de falla disueltos en aceite de transformador.
El mecanismo de detección de gas de los sensores basados en WO3 se puede demostrar como el cambio en la resistencia del sensor causado por la reacción redox entre las especies de oxígeno (principalmente O−) y las moléculas de gas de prueba en la superficie de materiales sintetizados, como se muestra en la Figura 1D. Para los materiales de detección típicos basados en WO3 de tipo n, las moléculas de oxígeno en el entorno de prueba se reducirán y se adsorberán en la superficie de los materiales capturando los electrones de la banda de conducción, y las moléculas de gas objetivo reaccionarán con los iones de oxígeno y liberarán los electrones de vuelta a la banda de conducción. Las reacciones involucradas se pueden describir de la siguiente manera (se toman como ejemplos H2 y CO gas):
Conclusión
En esta mini revisión, nos centramos en las estrategias de síntesis, el control morfológico, los procedimientos experimentales de detección y el rendimiento de detección de gases de estructuras jerárquicas WO3 de 0-D a 3-D. Se resumen y discuten las propiedades de detección de gases de varios sensores basados en WO3 de alto rendimiento, especialmente en lo que respecta a la detección de gases característicos de falla disueltos en el aceite del transformador. Con la creciente necesidad de sensores de gas de alta calidad con altas respuestas, selectividad prominente, estabilidad sobresaliente y excelente repetibilidad, se han realizado esfuerzos considerables para proponer rutas de síntesis más efectivas, un control morfológico más beneficioso y procesos experimentales más precisos. Se puede prever que cada vez más estructuras WO3 jerárquicas serán diseñadas y preparadas racionalmente debido a sus complicadas microestructuras con altas áreas de superficie especiales, amplia área de contacto interno y estructuras bien definidas. Estas estructuras jerárquicas especiales proporcionarán más rutas de difusión, sitios reactivos y espacios de micro reacción para la adsorción, retención y reacción de moléculas de gas objetivo. Aunque se han logrado algunos logros con esfuerzos incansables, la mejora adicional de las propiedades de detección de gases de los sensores basados en WO3 para aplicaciones prácticas sigue siendo un trabajo desafiante pero significativo. Esperamos que nuestro trabajo pueda contribuir con una guía beneficiosa para la exploración de la morfología de la superficie y las estructuras jerárquicas especiales de WO3. Además, se debe hacer mucho esfuerzo para fabricar sensores basados en WO3 de alto rendimiento con estructuras jerárquicas predeciblemente complicadas para detectar varios gases, especialmente los gases característicos de falla disueltos en el aceite del transformador.
Contribuciones de los autores
Todos los autores enumerados han hecho una contribución sustancial, directa e intelectual al trabajo y lo han aprobado para su publicación.
Financiación
Este trabajo ha sido apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 51507144), Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (No. XDJK2019B021), la Comisión de Ciencia y Tecnología de Chongqing (CSTC) (No. cstc2016jcyjA0400) y el proyecto del Consejo de Becas de China (CSC).
Conflicto de Intereses
Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un conflicto de intereses potencial.