化学におけるFrontiers

はじめに

変圧器の安全で信頼性の高い ら、２ ０ １ ８；Ｚｈａｎｇ Ｄ． ら、２ ０ １ ８；Ｚｈａｎｇ Ｑ． ら、２ ０ １ ８；Ｃｕｉ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、２ ０ １ ９；Ｙａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．、2019a、b）。 今日まで、油浸変圧器の数は電源変圧器の総数の90％以上を占めており、これらの電源変圧器の動作状態は電力システムの状態に直接影響する（Zhou et al。 ら、２ ０ １ ６；Ｚｈａｎｇ Ｘ．, 2019). 長期変圧器の場合、部分的な過熱および部分的な放電は、変圧器油を水素（H2）、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素（CO2）、メタン（CH4）、アセチレン（C2H2）、エチレン（C2H4）、 ら、２ ０ １ ７；Ｇａｏ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2019; パクら ら、２ ０ １ ９；Ｗａｎｇ Ｊ．, 2019). したがって、これらの故障特性ガスの検出は、早期の潜在故障を診断し、油浸変圧器の運転品質を評価するために広く適用されている（Zhang et al. ら，２ ０ １ ８ａ；Ｃｕｉら，２ ０ １ ８ｂ． ら，2019；Ｇｕｉら，２ ０ １ ９；Ｇｕｉら，, 2019). この点で、金属酸化物半導体（MOS）ガスセンサは、その高性能能力と変圧器油中のこれらの故障特性ガスの検出のための幅広い用途のためにかなりの注目 ら、２ ０ １ ３；Ｚｈａｎｇ Ｙ．, 2019).このことを考えると、様々な金属酸化物が異なる合成経路を介して研究されている（Ge et al. ら、２ ０ １ ７；Ｚｈｏｕ ｅ ｔ ａ ｌ． ら，２ ０ １ ８ａ，ｂ；Ｗｅｉら，２ ０ １ ８ａ，ｂ．、2019a）。 全ての酸化物のうち、典型的なｎ型金属酸化物半導体として、ＷＯ３は、その優れた物理化学的性質のために多くの関心を集めている（Ｍｉａｏ ｅ ｔ ａ ｌ．，２ ０ ０ ４，２ ０ ０ ６，２ ０ ０ ７，２ ０ ０ ８，２ ０ ０ ９）。 ら，２ ０ １ ５；Ｘ Ｕ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2019). ガスセンサの性能を向上させるために、ナノ粒子、ナノロッド、ナノシート、ナノフローなどの様々なナノ構造を合成するための持続可能な努力がなされている（Wei et al.、2019b）。 さらに、以前の研究者は、これらのユニークな構造がそのガス感知特性と密接に関連していることを確認している（Yu et al., 2016). したがって、異なる階層WO3ナノ構造の形態制御可能な合成とその強化されたガスセンシング性能を探索し、議論することが非常に重要である。 このレビューでは、0次元（0-D）、1次元（1-D）、2次元（2-D）、および3次元（3-D）を含む階層WO3ナノ構造の形態制御可能な合成に焦点を当てています。 さらに、高められたガスの感知の性能および関連のメカニズム、特に変圧器オイルの分解されたガスの検出は、もたらされました。

合成、センサ製造および測定

異なる戦略を有するWO3材料の合成

これまで、特殊な表面形態を調製し、ガスセンシング性能を高めたWO3ベースのセンサを製造するための様々な効果的な戦略が提案されてきた。 これらの合成経路の中で、テンプレート経路、水熱プロセス、エレクトロスピニング法、および化学蒸着はすべて広く使用されている。 Wang M.D.ら。 (2019)は、テンプレートルートを介して孔径の異なる三次元多孔質WO3材料を合成し、孔径と強化されたガスセンシング性能との関係を提案した。 Gibot et al. (2011)は、高度に比表面積WO3ナノ粒子のテンプレート合成を報告し、表面特性、形態および結晶構造を詳細に議論した。 Jinら。 (2019)は、容易な水熱プロセスを介して異なるタイプのWO3ナノ粒子を開発し、試薬の割合を変化させる形態制御可能な経路を提案した。 Cao and Chen(2017)は、ウニのようなWO3ナノ構造を合成するために容易なCTAB(ヘキサデシルトリメチルアンモニウム臭化)支援水熱法を使用し、これに基づくセンサーは、その特殊な微細構造のために優れたガスセンシング性能を有していた。 ジャンカテリーニ他 (2016)は、エレクトロスピニング法を介してWO3ナノファイバーの応答に対する熱および可視光活性化の影響を調べた。 Jaroenapibal et al. (2018)は、AgドープWO3ナノファイバーのエレクトロスピニング合成を発表し、強化されたガスセンシング機構を実証した。

センサーの製作および測定

WO3材料の異なった形態のガスの感知の性能を調査するためには、準備されたサンプルは平面および管状構成と 図1Aに示すように、両方の構造は、センシング材料、ワイヤ、electrodesm、および基板の四つの部分で構成されていました。 センサ構造中のセンシング材料は、得られたWO3粉末を水-エタノール混合溶液に溶解することによって調製される。 均一なスラリーを形成した後、ペーストをアルミナセラミック基板上に均一に塗布してセンシングフィルムを得る（Zhou et al.、2019a、b）。 ワイヤーが全測定回路を接続するのに使用され、電極が直接製造されたセンサーの性能を反映するセンサーの抵抗の変更を測定するのに使用されてい、2018a）。 基板は、通常、検出材料のための信頼性の高い支持を提供することができるアルミニウムで作られている（Zhou et al.、2018c、d）。

製造されたWO3ベースのセンサのガスセンシング特性は、静的インテリジェントガスセンシング解析プラットフォームを使用して調 図1Bは、ガスセンサーの実験プロセスの例を示しています。 このセットアップでは、バックグラウンドガスとターゲットガスを交互にガス室に導入して、準備されたデバイスの特性動的応答と応答回収率を測定 流れのコントローラーが集中を制御するためにガスの変化そして速度を調節するのに使用されている。 製造されたセンサーはテストの部屋に取付けられ、ガスの感受性データは処理のための中央計算機に直接送信される(Wei et al.、2019c）。

0-Dから3-Dへの形態制御

一般に、酸素分子と試験ガス分子との間の酸化還元反応によるセンサ抵抗の変化は、ガスセンサの基本的な動作原理を説明するために使用される。 表面の形態および特別な階層的な微細構造はガスセンサーの性能に対する重大な効果をもたらす。 この点に関して、固有の物理的および化学的特性を有する０−Ｄから３−Ｄまでの様々な形態が、首尾よく合成され、異なる効果的な戦略を介して広範囲に ら，２ ０ １ ５；Ｙａｏら，２ ０ １ ５；Ｙａｏら，, 2015). さらに、WO3ナノ構造の制御可能な合成経路は、表面形態がガスセンシング特性にどのように影響するかをさらに調査できるように提案されている。 図1Cに示すように、0-Dから3-Dまでの四つの典型的な種類のナノ構造は、異なる効果的な戦略で制御可能に合成することができます。 このことを考えると、さらに実用化のためのWO3ベースのセンサの性能を最適化するために、表面形態と特別な階層構造の探査は、まだ挑戦的だが意味

0次元(0-D)WO3

最低次元構造として、0-D WO3は、その低い比表面積と不十分な多孔質構造によって制限されるため、あまり調査されてい これらの欠点は、検出プロセス中の標的ガス分子の拡散および吸着を制限し、不十分な性能をもたらす。 さらに、0-D WO3ナノ粒子の調製および作製されたセンサの動作中に、ナノ粒子の粗大化および凝集は、デバイスの応答を減少させる可能性がある。 しかし、様々なWO3ナノ粒子が合理的に設計され、合成されている。 上記の欠陥に基づいて、高い分散性および超小径を有するWO3ナノ粒子は、ナノ粒子ベースのセンサの性能を改善する可能性がある。 この点で、Ｌｉ ｅ ｔ ａ ｌ． (2019)は、10〜50nmのサイズの高分散性WO3ナノ粒子を合成し、作製したセンサーは、非常に有効な表面積と十分な酸素空格子点のために優れたガスセンシング性能を示すことを発見した。

1次元（1-D）WO3

1-D WO3構造は、例えば、ナノロッド、ナノファイバー、ナノチューブ、およびナノワイヤ、と比較して改善された特殊な表面積を有する有益なナノ構造であると考えられている。 また，変圧器油中に溶解した故障特性ガスの検出に典型的な形態を適用した。 Wisitsoorat et al. (2013)は、マグネトロンスパッタリング法を介して1-D WO3ナノロッドを開発し、これに基づくH2センサーは、高応答と高速応答回復時間を含む顕著な特性を さらに1-D WO3の性能を向上させるために、金属イオンのドーピングと界面活性剤の導入は、酸化還元反応と特殊な構造の配向を改善するための有効な戦略であることが確認されています。 原子白金（Ｐ ｔ）はセンシング特性を最適化することができる有効なドーピング元素であると考えられ，この戦略は酸素種のスピルオーバ効果と吸着と脱着の促進によって説明できる（Ｐａｒｋ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2012).

2次元(2-D)WO3

低次元構造と比較して、2次元構造はターゲットガス分子の特殊表面積が大きく、したがってガス応答が高い(Dral and ten Elshof,2018)。 バルク3次元構造と比較して、ナノシート、ナノプレート、薄膜などの自立した2次元構造は、材料活性、表面分極、豊富な酸素空格子点の変調を含むより良い最適化ルートを提供することができます。 さらに、剛体の2次元ナノシートによって組み立てられた階層的微細構造は、標的ガス分子の拡散を促進することができるオープンで明確に定義された構造を有する(Nasir and Pumera,2019)。 特に油浸変圧器における故障特性ガスの検出の分野では、2-D WO3ベースのセンサは、優れたガスセンシング性能を有する有望な候補であることが確 黄ら (2020)容易な含浸法を介してRuロードWO3ナノシートを合成し、彼らはWO3ナノシート中の表面格子酸素の高い活性はRuの導入によって活性化されたと考えら Ou et al. (2012)は、異なる焼成温度でWO3ナノプレートに基づいてH2センサーを作製し、2次元構造が明らかにH2分子と相互作用することができる表面対話領域の数

3次元（3-D）WO3

階層的な3次元構造は、常にナノ粒子、ナノロッド、ナノシートなどの多様な低次元の基本ブロックから組み立てられています。 これらの様々な組立ルートは、階層的な微細構造は、例えば、微小球、微小花、メソポーラス構造、および他の不規則な構造のような異なる特殊な形態を提示する。 明確に定義された構造はより大きい特別な表面積およびより独特な微細構造を常に所有し、より高い応答時間、より顕著な選択性、安定性および反復性, 2013). 故障特性ガスを検出するために、Zhang Y.X.et al. (2019)は、硫酸カリウムのキャッピング効果（WO3の異方性成長を促すことができる）によって作成されたウニのような六角形WO3構造を調製し、H2センシング性能は、特別な階層的な3次元微細構造から利益を得ることが確認された。 魏ら (2017)は、容易な水熱プロセスによって中空カリフラワーのようなWO3を合成し、COに対するより高く、より速い応答が中空多孔質微細構造から利益を得

ガスセンシング特性とメカニズム

油浸変圧器の故障特性ガスの検出性能を向上させるために、異なる階層構造を持つWO3ベースのセンサは、その優れたガスセンシング特性により、油浸変圧器のオンラインモニタリングの有望な候補であることが確認されている。 このセクションでは、最近発表された調査（表1）に基づいて関連する研究を要約し、もっともらしいガスセンシング機構を提案する。テーブル1

WO3ベースのセンサのガスセンシング機構は、図1Dに示すように、合成材料の表面上の酸素種（主にO−）と試験ガス分子との間の酸化還元反応によ 典型的なN型WO3ベースのセンシング材料では、試験環境中の酸素分子が伝導帯から電子を捕捉することによって材料の表面に還元され、吸着され、標的ガス分子は酸素イオンと反応して電子を伝導帯に戻します。 関与する反応は、以下のように説明することができる（例としてH2およびCOガスを取る）:H2(g)+O-(ads)+→H2O(ads)+e-(3)