Frontiers in Chemistry

Introduction

Le fonctionnement sûr et fiable des transformateurs est d’une importance vitale pour une alimentation stable et continue du réseau électrique (Lu et al., 2018; Zhang D. Z. et coll., 2018; Zhang Q. Y. et coll., 2018; Cui et coll., 2019; Yang et coll., 2019a, b). À ce jour, le nombre de transformateurs immergés dans l’huile représente plus de 90% du nombre total de transformateurs de puissance, et l’état de fonctionnement de ces transformateurs de puissance affectera directement l’état des systèmes d’alimentation (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et coll., 2019). Pour un transformateur de longue durée, une surchauffe partielle et une décharge partielle entraîneront la décomposition de l’huile du transformateur en une variété de gaz de défaut, à savoir l’hydrogène (H2), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l’acétylène (C2H2), l’éthylène (C2H4) et l’éthane (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et coll., 2019; Park et coll., 2019; Wang J. X. et coll., 2019). Par conséquent, la détection de ces gaz caractéristiques de défaut a été largement appliquée pour diagnostiquer les défauts latents précoces et évaluer la qualité de fonctionnement des transformateurs immergés dans l’huile (Zhang et al., 2018a; Cui et coll., 2019; Gui et coll., 2019). À cet égard, les capteurs de gaz à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) ont attiré une attention considérable en raison de leur capacité de haute performance et de leur large éventail d’applications pour la détection de ces gaz caractéristiques de défaut dans l’huile de transformateur (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et coll., 2019).

Compte tenu de cela, divers oxydes métalliques ont été étudiés par différentes voies de synthèse (Ge et al., 2017; Zhou et coll., 2018a, b; Wei et coll., 2019a). Parmi tous les oxydes, en tant que semi-conducteur oxyde métallique typique de type n, WO3 a suscité un grand intérêt en raison de ses excellentes propriétés physico-chimiques (Miao et al., 2015; Xu et coll., 2019). Pour améliorer les performances des capteurs de gaz, des efforts durables ont été déployés pour synthétiser diverses nanostructures telles que des nanoparticules, des nanorodes, des nanosheets et des nanoflorures (Wei et al., 2019b). De plus, des chercheurs précédents ont confirmé que ces structures uniques sont étroitement liées à ses propriétés de détection de gaz (Yu et al., 2016). Par conséquent, la synthèse contrôlable par morphologie de différentes nanostructures WO3 hiérarchiques et les performances améliorées de détection de gaz de celles-ci sont d’une grande importance à explorer et à discuter. Dans cette revue, nous nous concentrons sur la synthèse contrôlable morphologique de nanostructures WO3 hiérarchiques comprenant des dimensions 0 (0-D), 1 (1-D), 2 (2-D) et 3 (3-D). En outre, les performances améliorées de détection des gaz et les mécanismes connexes, en particulier la détection des gaz dissous dans l’huile de transformateur, ont été introduits.

Synthèse, Fabrication et Mesure de capteurs

Synthèse de Matériaux WO3 Avec différentes Stratégies

Jusqu’à présent, diverses stratégies efficaces ont été proposées pour préparer des morphologies de surface spéciales, puis fabriquer des capteurs à base de WO3 avec une performance de détection de gaz améliorée. Parmi ces voies de synthèse, la voie modèle, le processus hydrothermal, la méthode d’électrofinçage et le dépôt chimique ont tous été largement utilisés. Wang M. D. et coll. (2019) ont synthétisé des matériaux WO3 tridimensionnels poreux avec différentes tailles de pores via la voie de gabarit, et ils ont proposé une relation entre la taille des pores et les performances améliorées de détection de gaz. Gibot et coll. (2011) ont rapporté la synthèse de modèles d’une nanoparticule WO3 de surface très spécifique et ont discuté en détail des propriétés de surface, de la morphologie et de la structure cristallographique. Jin et coll. (2019) ont mis au point différents types de nanoparticules WO3 grâce à un processus hydrothermal facile et ont proposé la voie contrôlable par la morphologie consistant à modifier la proportion des réactifs. Cao et Chen (2017) ont utilisé une méthode hydrothermale assistée par CTAB (bromure d’hexadécyl triméthylammonium) facile pour synthétiser une nanostructure WO3 de type oursin, et un capteur basé sur celle-ci possédait d’excellentes performances de détection de gaz en raison de sa microstructure spéciale. Giancaterini et coll. (2016) ont étudié l’influence de l’activation de la lumière thermique et visible sur la réponse des nanofibres WO3 via une méthode d’électrofilage. Jaroénapibal et coll. (2018) ont présenté la synthèse par électrofibrage de nanofibres WO3 dopées à l’Ag et ont démontré un mécanisme de détection de gaz amélioré.

Fabrication et mesure de capteurs

Pour étudier les performances de détection de gaz des différentes morphologies des matériaux WO3, les échantillons préparés sont utilisés pour fabriquer des structures chauffées latéralement, dont les versions les plus courantes sont connues sous le nom de configurations planaires et tubulaires. Comme le montre la figure 1A, les deux structures étaient composées de quatre parties: matériaux de détection, fils, électrodesmes et substrat. Les matériaux de détection dans la structure de capteur sont préparés en dissolvant les poudres de WO3 obtenues dans une solution mixte eau-éthanol. Après avoir formé une suspension homogène, la pâte est revêtue uniformément sur un substrat en céramique d’alumine pour obtenir un film de détection (Zhou et al., 2019a, b). Les fils sont utilisés pour connecter l’ensemble du circuit de mesure et les électrodes sont utilisées pour mesurer le changement de résistance du capteur qui reflète directement les performances du capteur fabriqué (Zhou et al., 2018a). Le substrat est généralement en aluminium, ce qui peut fournir un support fiable pour les matériaux de détection (Zhou et al., 2018c, d).

Les propriétés de détection de gaz des capteurs fabriqués à base de WO3 sont étudiées à l’aide d’une plate-forme d’analyse de détection de gaz intelligente statique. La figure 1B présente un exemple de procédé expérimental de capteur de gaz. Dans cette configuration, le gaz de fond et le gaz cible sont introduits alternativement dans la chambre à gaz pour mesurer la réponse dynamique caractéristique et le taux de récupération de réponse du dispositif préparé. Le régulateur de débit est utilisé pour ajuster le flux et la vitesse des gaz afin de contrôler leurs concentrations. Les capteurs fabriqués sont installés dans la chambre d’essai et les données de sensibilité au gaz seront directement transmises à l’ordinateur central pour traitement (Wei et al., 2019c).

Contrôle morphologique De 0-D À 3-D

En général, le changement de résistance du capteur provoqué par la réaction redox entre les molécules d’oxygène et les molécules de gaz test est utilisé pour expliquer le principe de fonctionnement de base des capteurs de gaz. La morphologie de surface et les microstructures hiérarchiques spéciales ont un effet crucial sur les performances des capteurs de gaz. À cet égard, diverses morphologies de 0-D à 3-D avec des propriétés physiques et chimiques uniques ont été synthétisées avec succès et largement explorées via différentes stratégies efficaces (Guo et al., 2015; Yao et coll., 2015). De plus, les voies de synthèse contrôlables des nanostructures WO3 ont été proposées pour permettre une étude plus approfondie de la façon dont la morphologie de surface affecte les propriétés de détection des gaz. Comme le montre la figure 1C, les quatre types typiques de nanostructures, de 0-D à 3-D, peuvent être synthétisés de manière contrôlable avec différentes stratégies efficaces. Compte tenu de cela, pour optimiser davantage les performances des capteurs basés sur WO3 pour une application pratique, l’exploration de la morphologie de surface et de la structure hiérarchique spéciale reste un travail difficile mais significatif.

0-Dimensionnelle (0-D)WO3

En tant que structure dimensionnelle la plus basse, la 0-D WO3 a été moins étudiée car elle est limitée par sa faible surface spécifique et sa structure poreuse insuffisante. Ces inconvénients limitent la diffusion et l’adsorption des molécules de gaz cibles pendant le processus de détection, conduisant à des performances insatisfaisantes. De plus, lors de la préparation des nanoparticules 0-D WO3 et du fonctionnement du capteur fabriqué, le grossissement et l’agglomération des nanoparticules peuvent diminuer la réponse du dispositif. Cependant, diverses nanoparticules de WO3 ont été rationnellement conçues et synthétisées. Sur la base des défauts mentionnés ci-dessus, des nanoparticules WO3 à forte dispersivité et de très petits diamètres pourraient améliorer les performances des capteurs à base de nanoparticules. À cet égard, Li et coll. (2019) ont synthétisé des nanoparticules WO3 hautement dispersibles de tailles allant de 10 à 50 nm et ils ont constaté que le capteur fabriqué présentait d’excellentes performances de détection de gaz en raison de la surface très efficace et des lacunes en oxygène suffisantes.

Les structures 1-Dimensionnelles (1-D)WO3

Les structures 1-D WO3, par exemple les nanorodes, les nanofibres, les nanotubes et les nanofils, sont considérées comme des nanostructures bénéfiques avec des surfaces spéciales améliorées par rapport à. En outre, la morphologie typique a été appliquée à la détection des gaz caractéristiques de défaut dissous dans l’huile de transformateur. Wisitsoorat et coll. (2013) ont mis au point des nanorodes WO3 1D via une méthode de pulvérisation magnétron, un capteur H2 sur la base duquel possédait des propriétés importantes, notamment une réponse élevée et un temps de récupération de réponse rapide. Pour améliorer encore les performances du 1-D WO3, le dopage d’ions métalliques et l’introduction de tensioactifs ont été confirmés comme des stratégies efficaces pour améliorer la réaction redox et l’orientation de structures spéciales. Le platine atomique (Pt) est considéré comme un élément dopant efficace qui peut optimiser les propriétés de détection et cette stratégie peut s’expliquer par l’effet de débordement des espèces oxygénées et l’amélioration de l’adsorption et de la désorption (Park et al., 2012).

WO3 à 2 dimensions (2-D)

Par rapport aux structures à faible dimension, les structures 2-D possèdent une surface spéciale plus grande pour les molécules de gaz cibles et donc des réponses gazeuses plus élevées (Dral et ten Elshof, 2018). Par rapport à la structure 3D en vrac, les structures 2D autoportantes telles que les nanofeuilles, les nanoplates et les films minces peuvent fournir de meilleures voies d’optimisation, y compris la modulation de l’activité des matériaux, la polarisation de surface et les lacunes riches en oxygène. De plus, la microstructure hiérarchique assemblée par des nanofeuilles 2D rigides possède une structure ouverte et bien définie qui peut favoriser la diffusion des molécules de gaz cibles (Nasir et Pumera, 2019). En particulier dans le domaine de la détection de gaz caractéristiques de défaut dans des transformateurs immergés dans l’huile, les capteurs à base de WO3 2-D se sont révélés être des candidats prometteurs avec d’excellentes performances de détection de gaz. Huang et coll. (2020) ont synthétisé des nanofeuilles WO3 chargées en Ru via une méthode d’imprégnation facile et ils ont estimé que l’activité plus élevée des oxygènes du réseau de surface dans les nanofeuilles WO3 était activée par l’introduction de Ru. Ou et coll. (2012) ont fabriqué des capteurs H2 basés sur des nanoplates WO3 à différentes températures de calcination et ont prouvé que la structure 2D possède un rapport surface / volume plus élevé, ce qui a clairement augmenté le nombre de zones interactives de surface pouvant interagir avec des molécules H2.

WO3 à 3 dimensions (3D)

Les structures 3D hiérarchiques sont toujours assemblées à partir de divers blocs fondamentaux de dimension inférieure tels que des nanoparticules, des nanorodes et des nanosheets. Ces différentes voies d’assemblage font que les microstructures hiérarchiques présentent différentes morphologies spéciales, par exemple des microsphères, des microflorures, des structures mésoporeuses et d’autres structures irrégulières. Les structures bien définies possèdent toujours une plus grande surface spéciale et des microstructures plus uniques, ce qui permet de meilleures performances de détection des gaz, notamment des temps de réponse plus élevés, une sélectivité, une stabilité et une répétabilité plus importantes (Zhang et al., 2013). Pour détecter les gaz caractéristiques des défauts, Zhang Y. X. et al. (2019) ont préparé une structure WO3 hexagonale semblable à un oursin créée par l’effet de capsulage du sulfate de potassium (qui peut provoquer la croissance anisotrope de WO3) et les performances de détection de H2 ont été confirmées pour bénéficier de la microstructure 3-D hiérarchique spéciale. Wei et coll. (2017) ont synthétisé du WO3 creux de type chou-fleur par un processus hydrothermal facile et ont constaté que la réponse plus élevée et plus rapide au CO pourrait bénéficier de la microstructure poreuse creuse.

Propriétés et mécanisme de détection de gaz

Pour améliorer les performances de détection des gaz caractéristiques de défaut dans les transformateurs immergés dans l’huile, il a été confirmé que les capteurs basés sur WO3 avec différentes structures hiérarchiques sont des candidats prometteurs pour la surveillance en ligne des transformateurs de puissance immergés dans l’huile en raison de leurs excellentes propriétés de détection de gaz. Dans cette section, nous résumons les travaux connexes basés sur les enquêtes récemment publiées (tableau 1) et proposons un mécanisme de détection de gaz plausible.

Le mécanisme de détection de gaz des capteurs basés sur WO3 peut être démontré comme le changement de résistance du capteur provoqué par la réaction redox entre les espèces d’oxygène (principalement O−) et les molécules de gaz test à la surface des matériaux synthétisés, comme le montre la figure 1D. Pour des matériaux de détection à base de WO3 de type n typiques, les molécules d’oxygène dans l’environnement de test seront réduites et adsorbées à la surface des matériaux en capturant les électrons de la bande de conduction, et les molécules de gaz cibles réagiront avec les ions oxygène et relâcheront les électrons dans la bande de conduction. Les réactions impliquées peuvent être décrites comme suit (le gaz H2 et CO sont pris à titre d’exemples):

Conclusion

Dans cette mini revue, nous nous concentrons sur les stratégies de synthèse, le contrôle morphologique, les procédures expérimentales de détection et les performances de détection de gaz des structures WO3 hiérarchiques de 0-D à 3-d. Les propriétés de détection de gaz de divers capteurs à haute performance basés sur WO3 sont résumées et discutées, en particulier en ce qui concerne la détection de gaz caractéristiques de défaut dissous dans l’huile de transformateur. Avec un besoin croissant de capteurs de gaz de haute qualité avec des réponses élevées, une sélectivité importante, une stabilité exceptionnelle et une excellente répétabilité, des efforts considérables ont été déployés pour proposer des voies de synthèse plus efficaces, un contrôle morphologique plus bénéfique et des processus expérimentaux plus précis. On peut prévoir que de plus en plus de structures WO3 hiérarchiques seront rationnellement conçues et préparées en raison de leurs microstructures compliquées avec des surfaces spéciales élevées, une large zone de contact interne et des structures bien définies. Ces structures hiérarchiques spéciales fourniront plus de chemins de diffusion, de sites réactifs et d’espaces de micro-réaction pour l’adsorption, la rétention et la réaction des molécules de gaz cibles. Bien que certains progrès aient été réalisés grâce à des efforts inlassables, l’amélioration des propriétés de détection de gaz des capteurs basés sur WO3 pour des applications pratiques reste un travail difficile mais significatif. Nous espérons que nos travaux pourront apporter des conseils utiles à l’exploration de la morphologie de surface et des structures hiérarchiques spéciales de WO3. De plus, il convient de faire beaucoup d’efforts pour fabriquer des capteurs à base de WO3 à haute performance avec des structures hiérarchiques compliquées à prévoir pour détecter divers gaz, en particulier les gaz caractéristiques de défaut dissous dans l’huile de transformateur.

Contributions des auteurs

Tous les auteurs énumérés ont apporté une contribution substantielle, directe et intellectuelle à l’œuvre et l’ont approuvée pour publication.

Financement

Ce travail a été soutenu en partie par la Fondation Nationale des Sciences Naturelles de Chine (No. 51507144), Fonds de Recherche Fondamentale pour les Universités Centrales (No. XDJK2019B021), la Commission de la Science et de la technologie de Chongqing (CSTC) (No. cstc2016jcyjA0400) et le projet du Conseil des bourses d’études de Chine (CSC).

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.