határok a kémiában

Bevezetés

a transzformátorok biztonságos és megbízható működése létfontosságú az elektromos hálózat stabil és folyamatos áramellátásához (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). A mai napig az olajba merített transzformátorok száma a transzformátorok teljes számának több mint 90% – át teszi ki, és ezeknek a transzformátoroknak a működési állapota közvetlenül befolyásolja az energiarendszerek állapotát (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). Egy hosszú üzemű transzformátor esetében a részleges túlmelegedés és a részleges kisülés a transzformátorolaj különféle hibagázokká történő bomlásához vezet, nevezetesen hidrogén (H2), szén-monoxid (CO), szén-dioxid (CO2), metán (CH4), acetilén (C2H2), etilén (C2H4) és etán (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Ezért ezeknek a hibajellemző gázoknak a kimutatását széles körben alkalmazták a korai látens hibák diagnosztizálására és az olajba merített transzformátorok működési minőségének értékelésére (Zhang et al., 2018A; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). Ebben a tekintetben a fém-oxid félvezető (mos) gázérzékelők nagy teljesítményű képességük és a transzformátorolajban található hibajellemző gázok kimutatására szolgáló széles körű alkalmazások miatt jelentős figyelmet szenteltek (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

ezt figyelembe véve különböző fémoxidokat vizsgáltak különböző szintézis útvonalakon keresztül (Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018A, b; Wei et al., 2019a). Az összes oxid közül, mint tipikus n típusú fém-oxid félvezető, a WO3 nagy mennyiségű érdeklődést váltott ki kiváló fizikai-kémiai tulajdonságai miatt (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). A gázérzékelők teljesítményének javítása érdekében fenntartható erőfeszítéseket tettek különböző nanoszerkezetek, például nanorészecskék, nanorodok, nanosheets és nanoflowers (Wei et al., 2019b). Ezenkívül a korábbi kutatók megerősítették, hogy ezek az egyedi struktúrák szorosan kapcsolódnak a gázérzékelő tulajdonságaihoz (Yu et al., 2016). Ezért a különböző hierarchikus WO3 nanoszerkezetek morfológiával szabályozható szintézise és azok fokozott gázérzékelési teljesítménye nagy jelentőséggel bír a feltárás és a megbeszélés szempontjából. Ebben az áttekintésben a hierarchikus WO3 nanoszerkezetek morfológiával szabályozható szintézisére összpontosítunk, beleértve a 0 dimenziós (0-D), 1-dimenziós (1-D), 2-dimenziós (2-D) és 3-dimenziós (3-D) struktúrákat. Ezenkívül bevezették a fokozott gázérzékelési teljesítményt és a kapcsolódó mechanizmusokat, különösen a transzformátorolajban oldott gázok kimutatását.

szintézis, Szenzorgyártás és mérés

WO3 anyagok szintézise különböző stratégiákkal

eddig különböző hatékony stratégiákat javasoltak a speciális felületi morfológiák előkészítésére, majd a WO3 alapú érzékelők gyártására, fokozott gázérzékelési teljesítménnyel. Ezen szintézis útvonalak között széles körben alkalmazzák a sablon útvonalat, a hidrotermális folyamatot, az elektrospinning módszert és a kémiai lerakódást. Wang M. D. et al. (2019) szintetizált háromdimenziós porózus WO3 anyagok különböző pórusméretekkel a sablon útvonalon keresztül, és javaslatot tettek a pórusméret és a fokozott gázérzékelési teljesítmény közötti kapcsolatra. Gibot et al. (2011) számolt be a sablon szintézise egy nagyon specifikus felület WO3 Nanorészecske és tárgyalta a felületi tulajdonságok, morfológia és kristálytani szerkezetét részletesen. Jin et al. (2019) különböző típusú WO3 nanorészecskéket fejlesztett ki egy könnyű hidrotermális folyamaton keresztül, és javasolta a reagensek arányának megváltoztatásának morfológiával szabályozható útját. Cao és Chen (2017) egy könnyed CTAB (Hexadecil-trimetil-ammónium-bromid) – támogatott hidrotermális módszert alkalmaztak egy sün-szerű WO3 nanostruktúra szintetizálására, és az ezen alapuló érzékelő különleges mikrostruktúrájának köszönhetően kiváló gázérzékelési teljesítményt nyújtott. Giancaterini et al. (2016) a hő – és látható fényaktiválás hatását vizsgálta a WO3 nanoszálak válaszára elektrospinning módszerrel. Jaroenapibal et al. (2018) bemutatta az AG-adalékolt WO3 nanoszálak elektrospinning szintézisét, és bemutatta a továbbfejlesztett gázérzékelő mechanizmust.

érzékelő gyártása és mérése

a WO3 anyagok különböző morfológiáinak gázérzékelési teljesítményének vizsgálatához az elkészített mintákat oldalfűtésű szerkezetek gyártására használják, amelyek leggyakoribb változatai sík és cső alakú konfigurációk. Amint azt az 1a ábra mutatja, mindkét szerkezet négy részből állt: érzékelő anyagokból, huzalokból, elektrodezmből és szubsztrátumból. Az érzékelő szerkezetben lévő érzékelő anyagokat úgy állítjuk elő, hogy a kapott WO3 porokat víz-etanollal kevert oldatba oldjuk. Homogén szuszpenzió kialakítása után a pasztát egyenletesen bevonjuk egy alumínium-oxid kerámia hordozóra, hogy érzékelő filmet kapjunk (Zhou et al., 2019a, b). A vezetékeket a teljes mérőkör csatlakoztatására használják, az elektródákat pedig az érzékelő ellenállásának változásának mérésére használják, amely közvetlenül tükrözi a gyártott érzékelő teljesítményét (Zhou et al., 2018a). Az aljzat általában alumíniumból készül, amely megbízható támogatást nyújthat az érzékelő anyagok számára (Zhou et al., 2018c, d).

a gyártott WO3 alapú érzékelők gázérzékelési tulajdonságait statikus intelligens gázérzékelő elemzési platform segítségével vizsgáljuk. Az 1b. ábra egy példa gázérzékelő kísérleti folyamatot mutat be. Ebben a beállításban a háttérgázt és a célgázt felváltva vezetik be a gázkamrába, hogy megmérjék az előkészített eszköz jellegzetes dinamikus válasz-és válaszvisszanyerési sebességét. Az áramlásszabályozót a gázok fluxusának és sebességének beállítására használják koncentrációjuk szabályozása érdekében. A gyártott érzékelőket a tesztkamrába telepítik, és a gázérzékenységi adatokat közvetlenül továbbítják a központi számítógéphez feldolgozás céljából (Wei et al., 2019c).

morfológiai Szabályozás 0-D-től 3-D-ig

általában az oxigénmolekulák és a vizsgált gázmolekulák közötti redox reakció által okozott érzékelő ellenállás változását használják a gázérzékelők alapvető működési elvének magyarázatára. A felületi morfológia és a speciális hierarchikus mikrostruktúrák döntő hatással vannak a gázérzékelők teljesítményére. Ebben a tekintetben különböző morfológiák 0-D-től 3-D-ig, egyedi fizikai és kémiai tulajdonságokkal sikeresen szintetizáltak és széles körben feltártak különböző hatékony stratégiákon keresztül (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Ezenkívül a WO3 nanoszerkezetek szabályozható szintézisútjait javasolták annak további vizsgálatára, hogy a felületi morfológia hogyan befolyásolja a gázérzékelési tulajdonságokat. Amint az 1C. ábrán látható, a négy tipikus nanoszerkezetfajta, a 0-D-től a 3-D-ig, szabályozhatóan szintetizálható különböző hatékony stratégiákkal. Ennek fényében a WO3 alapú érzékelők teljesítményének további optimalizálása érdekében a felszíni morfológia és a speciális hierarchikus struktúra feltárása továbbra is kihívást jelentő, de tartalmas munka.

0 dimenziós (0-D) WO3

a legalacsonyabb dimenziós struktúraként a 0-D WO3-at kevésbé vizsgálták, mivel alacsony fajlagos felülete és elégtelen porózus szerkezete korlátozza. Ezek a hátrányok korlátozzák a célgázmolekulák diffúzióját és adszorpcióját az érzékelési folyamat során, ami nem kielégítő teljesítményhez vezet. Ezenkívül a 0-D WO3 nanorészecskék előkészítése és a gyártott érzékelő működése során a nanorészecskék durvulása és agglomerációja csökkentheti az eszköz reakcióját. A különböző WO3 nanorészecskéket azonban racionálisan tervezték és szintetizálták. A fent említett hibák alapján a nagy diszpergálhatóságú és ultra-kis átmérőjű WO3 nanorészecskék javíthatják a nanorészecske alapú érzékelők teljesítményét. Ebben a tekintetben Li et al. (2019) szintetizált, nagyon diszpergálható WO3 nanorészecskék, amelyek mérete 10-50 nm, és azt találták, hogy a gyártott érzékelő kiváló gázérzékelési teljesítményt mutatott a rendkívül hatékony felület és az elegendő oxigén üres állás miatt.

1-dimenziós (1-D) WO3

1-D WO3 struktúrák, például nanorodok, nanoszálak, nanocsövek, és nanovezetékek, tekinthetők előnyös nanostruktúrák javított speciális felületű képest. Szintén, a tipikus morfológiát alkalmazták a transzformátorolajban oldott hibajellemző gázok kimutatására. Wisitsoorat et al. (2013) 1-D WO3 nanorodokat fejlesztett ki magnetron porlasztási módszerrel, egy H2 érzékelővel, amely kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a magas választ és a gyors reagálási időt. Az 1-D WO3 teljesítményének további növelése érdekében a fémionok doppingolása és a felületaktív anyagok bevezetése hatékony stratégiáknak bizonyult a redox reakció és a speciális struktúrák orientációjának javítására. Az Atomic platinum (Pt) hatékony dopping elemnek tekinthető, amely optimalizálja az érzékelési tulajdonságokat, és ez a stratégia az oxigénfajok átterjedő hatásával, valamint az adszorpció és deszorpció fokozásával magyarázható (Park et al., 2012).

2-dimenziós (2-D) WO3

az alacsony dimenziós struktúrákkal összehasonlítva a 2-D struktúrák nagyobb speciális felülettel rendelkeznek a célgázmolekulák számára, ezért nagyobb gázreakciókkal rendelkeznek (Dral and ten Elshof, 2018). Az ömlesztett 3D-s struktúrához képest a szabadon álló 2D-s struktúrák, mint például a nanolemezek, a nanoplateok és a vékonyfilmek jobb optimalizálási útvonalakat biztosíthatnak, beleértve az anyagaktivitás modulációját, a felületi polarizációt és a gazdag oxigénmegállásokat. Ezenkívül a merev 2D nanosheetek által összeállított hierarchikus mikrostruktúra nyitott és jól definiált szerkezettel rendelkezik, amely elősegítheti a célgázmolekulák diffúzióját (Nasir and Pumera, 2019). Különösen az olajba merített transzformátorokban a hibajellemző gázok kimutatása terén a 2-D WO3 alapú érzékelők ígéretes jelölteknek bizonyultak, kiváló gázérzékelési teljesítményekkel. Huang és munkatársai. (2020) szintetizált RU-terhelt WO3 nanosheets egy könnyed impregnálási módszerrel, és úgy vélték, hogy a WO3 nanosheets felületi rácsos oxigénjeinek nagyobb aktivitása a Ru bevezetésével aktiválódott. Ou et al. (2012) gyártott H2 érzékelők alapján WO3 nanoplates különböző kalcinációs hőmérsékletek és bebizonyította, hogy a 2-D szerkezet rendelkezik egy nagyobb felület / térfogat arány, amely egyértelműen növelte a felszíni interaktív területek, amelyek kölcsönhatásba léphetnek a H2 molekulák.

3-dimenziós (3-D) WO3

A hierarchikus 3-D struktúrákat mindig különböző alacsonyabb dimenziós alapblokkokból állítják össze, például nanorészecskékből, nanorodokból és nanosheetekből. Ezek a különböző összeszerelési útvonalak teszik a hierarchikus mikrostruktúrákat különböző speciális morfológiákkal, például mikrogömbökkel, mikrovirágokkal, mezoporos struktúrákkal és más szabálytalan struktúrákkal. A jól meghatározott struktúrák mindig nagyobb speciális felülettel és egyedi mikrostruktúrákkal rendelkeznek, ami jobb gázérzékelési teljesítményt eredményez, beleértve a magasabb válaszidőket, a kiemelkedő szelektivitást, a stabilitást és az ismételhetőséget (Zhang et al., 2013). A hibajellemző gázok kimutatására Zhang Y. X. et al. (2019) készített egy tengeri sün-szerű hatszögletű WO3 szerkezetet, amelyet a kálium-szulfát korlátozó hatása hozott létre (ami a WO3 anizotróp növekedését idézheti elő), és a H2 érzékelési teljesítményt megerősítették, hogy előnyös a speciális hierarchikus 3D mikrostruktúra. Wei et al. (2017) szintetizált üreges karfiol-szerű WO3 egy könnyed hidrotermális eljárással, és megállapította, hogy a CO-ra adott magasabb és gyorsabb válasz előnyös lehet az üreges porózus mikrostruktúrából.

Gázérzékelési tulajdonságok és mechanizmus

az olajba merített transzformátorokban a hibajellemző gázok észlelésének teljesítményének javítása érdekében a különböző hierarchikus struktúrákkal rendelkező WO3 alapú érzékelők kiváló gázérzékelési tulajdonságaik miatt ígéretes jelölteknek bizonyultak az olajba merített transzformátorok on-line felügyeletére. Ebben a részben összefoglaljuk a kapcsolódó munkákat a közelmúltban megjelent vizsgálatok alapján (1.táblázat), és javaslatot teszünk egy elfogadható gázérzékelő mechanizmusra.

a WO3 alapú érzékelők gázérzékelő mechanizmusa az oxigénfajok (főleg O−) és a szintetizált anyagok felületén lévő vizsgált gázmolekulák közötti redox reakció által okozott érzékelő ellenállás változásaként mutatható ki, amint azt az 1D.ábra mutatja. A tipikus N-típusú WO3 alapú érzékelő anyagok esetében a vizsgálati környezetben lévő oxigénmolekulák redukálódnak és adszorbeálódnak az anyagok felületén azáltal, hogy befogják az elektronokat a vezetési sávból, és a célgázmolekulák reagálnak az oxigénionokkal, és felszabadítják az elektronokat a vezetési sávba. Az érintett reakciók a következőképpen írhatók le (példaként a H2 és a CO gázt vesszük figyelembe):

következtetés

ebben a mini áttekintésben a szintézis stratégiákra, a morfológia ellenőrzésére, a kísérleti eljárások érzékelésére és a hierarchikus WO3 struktúrák gázérzékelési teljesítményére összpontosítunk 0 – D-től 3-D-ig. A különböző nagy teljesítményű WO3 alapú érzékelők gázérzékelési tulajdonságait összegezzük és tárgyaljuk, különös tekintettel a transzformátorolajban oldott hibajellemző gázok kimutatására. Az egyre növekvő igény a magas minőségű gáz érzékelők nagy válaszok, kiemelkedő szelektivitás, kiemelkedő stabilitás, és kiváló ismételhetőség, jelentős erőfeszítéseket tettek, hogy javaslatot hatékonyabb szintézis útvonalak, előnyösebb morfológia ellenőrzés és pontosabb kísérleti folyamatok. Előre látható, hogy egyre több hierarchikus WO3 struktúra lesz racionálisan megtervezve és előkészítve a bonyolult mikrostruktúráknak köszönhetően, amelyek nagy speciális felületekkel, széles belső érintkezési területtel és jól definiált struktúrákkal rendelkeznek. Ezek a speciális hierarchikus struktúrák több diffúziós utat, reaktív helyet és mikroreakciós teret biztosítanak a célgázmolekulák adszorpciójához, retenciójához és reakciójához. Bár a folyamatos erőfeszítések némi eredményt hoztak, a WO3 alapú érzékelők gázérzékelési tulajdonságainak további javítása gyakorlati alkalmazásokhoz még mindig kihívást jelentő, de értelmes munka. Reméljük, hogy munkánk hasznos útmutatással szolgálhat a WO3 felszíni morfológiájának és speciális hierarchikus struktúráinak feltárásához. Ezenkívül nagy erőfeszítéseket kell tenni a nagy teljesítményű WO3 alapú érzékelők előállítására, amelyek kiszámíthatóan bonyolult hierarchikus struktúrákkal rendelkeznek a különféle gázok, különösen a transzformátorolajban oldott hibajellemző gázok kimutatására.

szerzői hozzájárulások

minden felsorolt szerző jelentős, közvetlen és szellemi hozzájárulást nyújtott a műhöz, és jóváhagyta a közzétételt.

finanszírozás

ezt a munkát részben támogatta a National Natural Science Foundation of China (no.51507144), alapvető kutatási alapok a központi egyetemek (No. XDJK2019B021), a Chongqing tudományos és technológiai Bizottság (CSTC) (No. cstc2016jcyjA0400) és a kínai ösztöndíj Tanács (CSC) projektje.

összeférhetetlenség

a szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.