Frontiers in Chemistry

Introduction

the safe and reliable operation of transformers is in the standard and continuous power supply to the power grid (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). Tähän mennessä öljyyn upotettujen muuntajien määrä on yli 90 prosenttia tehomuuntajien kokonaismäärästä, ja näiden tehomuuntajien toimintatila vaikuttaa suoraan sähköjärjestelmien kuntoon (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). Pitkäaikaisessa muuntajassa osittainen ylikuumeneminen ja osittainen purku johtavat muuntajaöljyn hajoamiseen erilaisiksi vikakaasuiksi, nimittäin vedyksi (H2), hiilimonoksidiksi (CO), hiilidioksidiksi (CO2), metaaniksi (CH4), asetyleeniksi (C2H2), eteeniksi (C2H4) ja etaaniksi (C2h6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park ym., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Siksi näiden vian ominaiskaasujen havaitsemista on sovellettu laajasti varhaisten piilevien vikojen diagnosointiin ja öljyyn upotettujen muuntajien toiminnan laadun arviointiin (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). Tässä suhteessa metallioksidipuolijohdekaasuanturit (Mos)ovat herättäneet huomattavaa huomiota, koska ne ovat erittäin suorituskykyisiä ja niillä on laaja valikoima sovelluksia näiden vika-ominaiskaasujen havaitsemiseksi muuntajaöljyssä (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

tämän vuoksi eri metallioksideja on tutkittu eri synteesireittejä pitkin (Ge et al., 2017; Zhou ym., 2018a, b; Wei et al., 2019a). Kaikista oksideista tyypillisenä n-tyyppisenä metallioksidipuolijohteena WO3 on herättänyt paljon kiinnostusta erinomaisten fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). Kaasusensorien suorituskyvyn parantamiseksi on pyritty kestävällä tavalla syntetisoimaan erilaisia nanorakenteita, kuten nanohiukkasia, nanorodeja, nanohiukkasia ja nanoflowereita (Wei et al., 2019b). Lisäksi aiemmat tutkijat ovat vahvistaneet, että nämä ainutlaatuiset rakenteet liittyvät läheisesti sen kaasun tunnistusominaisuuksiin (Yu et al., 2016). Siksi erilaisten hierarkkisten WO3-nanorakenteiden morfologisesti hallittavissa oleva synteesi ja niiden tehostetut kaasuntunnistussuoritukset ovat erittäin tärkeitä tutkia ja keskustella. Tässä tarkastelussa keskitymme hierarkkisten WO3-nanorakenteiden morfologiseen ohjattavaan synteesiin, mukaan lukien 0-ulotteinen (0-D), 1-ulotteinen (1-D), 2-ulotteinen (2-D) ja 3-ulotteinen (3-D). Lisäksi on otettu käyttöön parannettu kaasun tunnistusteho ja siihen liittyvät mekanismit, erityisesti muuntajaöljyssä olevien liuenneiden kaasujen havaitseminen.

synteesi, anturien valmistus ja mittaus

sellaisten WO3-materiaalien synteesi, joilla on erilaiset strategiat

tähän mennessä on ehdotettu erilaisia tehokkaita strategioita erityisten pintamorfologioiden valmistamiseksi ja WO3-pohjaisten antureiden valmistamiseksi, joilla on parannettu kaasun tunnistusteho. Näistä synteesi reitit malli reitti, hydrotermiset prosessi, electrospinning menetelmä, ja kemiallinen Laskeuma ovat kaikki laajalti käytetty. Wang M. D. ym. (2019) syntetisoi kolmiulotteisesti huokoisia WO3-materiaaleja, joilla on erilaiset huokoskoot mallin reitin kautta, ja he ehdottivat huokoskoon ja parannetun kaasun tunnistustehon välistä suhdetta. Gibot ym. (2011) raportoi erittäin spesifisen pinta-alan WO3 nanohiukkasen mallisynteesin ja käsitteli pinnan ominaisuuksia, morfologiaa ja kristallografista rakennetta yksityiskohtaisesti. Jin ym. (2019) kehitti erilaisia WO3-nanohiukkasia helpolla hydrotermisellä prosessilla ja ehdotti morfologisesti hallittavaa reittiä reagenssien osuuden muuttamiseksi. Cao ja Chen (2017) käyttivät helppoa ctab (Heksadekyylitrimetyyliammoniumbromidi)-avusteista hydrotermiset menetelmä syntetisoida urchin kaltainen WO3-nanorakenne, ja tähän perustuva anturi omasi erinomaisen kaasun tunnistavan suorituskyvyn sen erityisen mikrorakenteen vuoksi. Giancaterini ym. (2016) tutki lämpö – ja näkyvän valon aktivoitumisen vaikutusta WO3-nanokuitujen vasteeseen elektrospinning-menetelmällä. Jaroenapibal ym. (2018) esitteli AG-seostettujen WO3-nanokuitujen electrospinning-synteesin ja osoitti parannetun kaasun tunnistusmekanismin.

anturien valmistus ja mittaus

WO3-materiaalien eri morfologioiden kaasuanturasuoritusten tutkimiseksi valmistetuilla näytteillä valmistetaan sivulämmitteisiä rakenteita, joista yleisimpiä versioita kutsutaan tasomaisiksi ja putkimaisiksi konfiguraatioiksi. Kuten kuvassa 1a esitetään, molemmat rakenteet koostuivat neljästä osasta: anturimateriaaleista, johdoista, elektrodeista ja substraatista. Anturirakenteen anturimateriaalit valmistetaan liuottamalla saadut WO3-jauheet vesi-etanoli-sekoiteliuokseen. Homogeenisen lietteen muodostamisen jälkeen tahna päällystetään alumiinioksidikeraamiselle alustalle tasaisesti, jotta saadaan tunnistava kalvo (Zhou et al., 2019a, b). Johtoja käytetään koko mittauspiirin kytkemiseen ja elektrodeja käytetään mittaamaan anturivastuksen muutosta, joka heijastaa suoraan valmistetun anturin suorituskykyä (Zhou et al., 2018a). Substraatti on yleensä valmistettu alumiinista, joka voi tarjota luotettavaa tukea anturimateriaaleille (Zhou et al., 2018c, d).

valmistettujen WO3-pohjaisten antureiden kaasuntunnistusominaisuuksia tutkitaan staattisen älykkään kaasuntunnistusanalyysin avulla. Kuvassa 1b esitetään esimerkki kaasuanturin kokeellisesta prosessista. Tässä asetelmassa taustakaasua ja kohdekaasua johdetaan vuorotellen kaasukammioon, jotta voidaan mitata valmistellulle laitteelle ominainen dynaaminen vaste ja vasteen talteenottonopeus. Virtauksen ohjainta käytetään säätämään kaasujen vuota ja nopeutta niiden pitoisuuksien säätämiseksi. Valmistetut anturit asennetaan testauskammioon ja kaasun herkkyystiedot lähetetään suoraan keskustietokoneeseen käsiteltäväksi (Wei et al., 2019c).

morfologinen ohjaus 0-D: stä 3-D: hen

yleensä happimolekyylien ja testikaasumolekyylien välisen redox-reaktion aiheuttamaa anturiresistenssin muutosta käytetään kaasuantureiden perustoimintaperiaatteen selittämiseen. Pinnan morfologia ja erityiset hierarkkiset mikrorakenteet vaikuttavat ratkaisevasti kaasuantureiden suorituskykyyn. Tässä suhteessa erilaisia morfologioita 0-D: stä 3-D: hen ainutlaatuisilla fysikaalisilla ja kemiallisilla ominaisuuksilla on onnistuneesti syntetisoitu ja tutkittu laajasti erilaisten tehokkaiden strategioiden avulla (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Lisäksi WO3-nanorakenteiden hallittavia synteesireittejä on ehdotettu, jotta voidaan tutkia tarkemmin, miten pinnan morfologia vaikuttaa kaasun tunnistusominaisuuksiin. Kuten kuvassa 1C on esitetty, neljä tyypillistä nanorakenteita, 0-D: stä 3-D: hen, voidaan säädettävästi syntetisoida erilaisilla tehokkailla strategioilla. Kun otetaan huomioon, että WO3-pohjaisten antureiden suorituskyvyn optimointi käytännön sovellutuksiin, pinnan morfologian ja erityisen hierarkkisen rakenteen tutkiminen on edelleen haastavaa, mutta mielekästä työtä.

0-ulotteinen (0-D) WO3

alimpana ulotteisena rakenteena 0-D WO3: A on tutkittu vähemmän, koska sitä rajoittaa sen alhainen ominaispinta-ala ja riittämätön huokoinen rakenne. Nämä haitat rajoittavat kohdekaasumolekyylien diffuusiota ja adsorptiota tunnistusprosessin aikana, mikä johtaa epätyydyttäviin suorituksiin. Lisäksi 0-D WO3-nanohiukkasten valmistuksen ja valmistetun anturin toiminnan aikana nanohiukkasten karkeus ja agglomeraatio saattaa vähentää laitteen vastetta. Erilaisia WO3-nanohiukkasia on kuitenkin suunniteltu ja syntetisoitu järkevästi. Edellä mainittujen vikojen perusteella WO3-nanohiukkaset, joilla on suuri dispergoituvuus ja erittäin pienet halkaisijat, saattavat parantaa nanohiukkaspohjaisten antureiden suorituskykyä. Tältä osin Li et al. (2019) syntetisoitiin erittäin dispergoituvia WO3-nanohiukkasia, joiden koot vaihtelevat 10-50 nm, ja he havaitsivat, että valmistetulla anturilla oli erinomainen kaasun tunnistusteho erittäin tehokkaan pinta-alan ja riittävän hapen avoimuuden ansiosta.

1-ulotteisia (1-D) WO3

1-D WO3-rakenteita, esimerkiksi nanorodeja, nanokuituja, nanoputkia ja nanoliittimiä, pidetään hyödyllisinä nanorakenteina, joiden erikoispinta-ala on parempi kuin niiden. Myös muuntajaöljyyn liuenneiden vikaominaisuuskaasujen havaitsemiseen on sovellettu tyypillistä morfologiaa. Wisitsoorat ym. (2013) kehitetty 1-D WO3 nanorods kautta magnetronisputterointimenetelmällä, H2-anturi, joka perustuu jolla oli merkittäviä ominaisuuksia, mukaan lukien korkea vaste ja nopea vastaus-palautumisaika. 1-D WO3: n suorituskyvyn parantamiseksi metalli-ionien doping ja pinta-aktiivisten aineiden käyttöönotto on vahvistettu tehokkaiksi strategioiksi redox-reaktion parantamiseksi ja erityisrakenteiden suuntaamiseksi. Atomin platinaa (Pt) pidetään tehokkaana dopingelementtinä, joka voi optimoida aistimusominaisuudet ja tämä strategia voidaan selittää happilajien heijastusvaikutuksella sekä adsorption ja desorption tehostumisella (Park et al., 2012).

2-Dimensional (2-D) WO3

pieniulotteisiin rakenteisiin verrattuna 2-D-rakenteilla on suurempi kohdekaasumolekyylien erityispinta-ala ja siten suuremmat kaasuvasteet (Dral ja ten Elshof, 2018). Verrattuna irtotavarana olevaan 3-D-rakenteeseen, vapaasti seisovat 2-D-rakenteet, kuten nanokoneet, nanoplaatit ja ohutkalvot, voivat tarjota parempia optimointireittejä, mukaan lukien materiaalien aktiivisuuden Mukauttaminen, pinnan polarisaatio ja runsaasti happea sisältävät avoimet työpaikat. Lisäksi jäykillä 2-D-nanokoneilla kootulla hierarkkisella mikrorakenteella on avoin ja hyvin määritelty rakenne, joka voi edistää kohdekaasumolekyylien diffuusiota (Nasir and Pumera, 2019). Erityisesti öljyyn upotettujen muuntajien vikaominaisuuskaasujen havaitsemisessa 2-D WO3-pohjaisten antureiden on todettu olevan lupaavia ehdokkaita, joilla on erinomaiset kaasuntunnistustehot. Huang ym. (2020) syntetisoitiin ru-ladattuja WO3-nanohiukkasia helpolla kyllästysmenetelmällä, ja he uskoivat, että pintahilan hapetusten korkeampi aktiivisuus WO3-nanohiukkasissa aktivoitui RU: n käyttöönoton myötä. Ou et al. (2012) valmistettu H2-anturit, jotka perustuvat WO3-nanoplateihin eri kalsinaatiolämpötiloissa ja osoittivat, että 2-D-rakenteella on suurempi pinta-tilavuussuhde, mikä lisäsi selvästi niiden pinnan interaktiivisten alueiden määrää, jotka voisivat olla vuorovaikutuksessa H2-molekyylien kanssa.

3-ulotteiset (3-D) WO3

hierarkkiset 3-D-rakenteet kootaan aina erilaisista alemman ulottuvuuden peruslohkoista kuten nanohiukkasista, nanorodeista ja nanohiukkasista. Nämä erilaiset kokoontumisreitit saavat hierarkkiset mikrorakenteet esittämään erilaisia erityisiä morfologioita, esimerkiksi mikropalloja, mikropalloja, mesoporttisia rakenteita ja muita epäsäännöllisiä rakenteita. Hyvin määritellyillä rakenteilla on aina suurempi erikoispinta-ala ja ainutlaatuisemmat mikrorakenteet, mikä johtaa parempiin kaasun tunnistustehoihin, kuten korkeampiin vasteaikoihin, näkyvämpään selektiivisyyteen, stabiilisuuteen ja toistettavuuteen (Zhang et al., 2013). Vikaominaisuuksien havaitsemiseksi Zhang Y. X. et al. (2019) valmisteli merisiilin kaltaisen kuusikulmaisen WO3-rakenteen, joka on luotu kaliumsulfaatin korkkivaikutuksella (joka voi herättää WO3: n anisotrooppisen kasvun) ja H2-tunnistusteho vahvistettiin hyötymään erityisestä hierarkkisesta 3-D-mikrorakenteesta. Wei ym. (2017) syntetisoi onttoa kukkakaalimaista WO3: a helpolla hydrotermisellä prosessilla ja totesi, että korkeampi ja nopeampi vaste CO: lle saattaa hyötyä ontosta huokoisesta mikrorakenteesta.

kaasun tunnistusominaisuudet ja mekanismi

öljyyn upotettujen muuntajien vikaominaisuuksien havaitsemisen tehostamiseksi WO3-pohjaisten antureiden, joilla on erilaiset hierarkkiset rakenteet, on todettu olevan lupaavia ehdokkaita öljyyn upotettujen tehomuuntajien Online-valvontaan erinomaisten kaasuntunnistusominaisuuksiensa vuoksi. Tässä osiossa tiivistämme tähän liittyviä teoksia, jotka perustuvat äskettäin julkaistuihin tutkimuksiin (Taulukko 1), ja ehdotamme uskottavaa kaasun tunnistusmekanismia.

WO3− pohjaisten antureiden kaasun tunnistusmekanismi voidaan osoittaa anturiresistenssin muutoksena, joka aiheutuu happilajien (pääasiassa O -) ja testikaasumolekyylien välisestä redox-reaktiosta syntetisoitujen materiaalien pinnalla, kuten kuvassa 1D esitetään. Tyypillisissä n-tyypin WO3-pohjaisissa anturimateriaaleissa testausympäristön happimolekyylit vähenevät ja Adsorboituvat materiaalien pinnalle kaappaamalla elektronit johtuvuuskaistalta, ja kohdekaasumolekyylit reagoivat happi-ionien kanssa ja vapauttavat elektronit takaisin johtuvuuskaistalle. Mukana olevat reaktiot voidaan kuvata seuraavasti (esimerkeiksi otetaan H2-ja CO-kaasu: