Grenser I Kjemi

Introduksjon

sikker og pålitelig drift av transformatorer er av avgjørende betydning for en stabil og kontinuerlig strømforsyning til strømnettet (Lu et al., 2018; Zhang D. Z. et al., 2018; Zhang Q. Y. et al., 2018; Cui et al., 2019; Jan et al., 2019a, b). Til dags dato, antall olje-nedsenket transformatorer står for mer enn 90% av det totale antall krafttransformatorer, og driftstilstanden av disse krafttransformatorer vil direkte påvirke tilstanden av kraftsystemer (Zhou et al., 2016; Zhang X. x. et al., 2019). For en langvarig transformator vil delvis overoppheting og delvis utladning føre til dekomponering av transformatorolje til en rekke feilgasser, nemlig hydrogen (H2), karbonmonoksid (CO), karbondioksid (CO2), metan (CH4), acetylen (C2H2), etylen (C2H4) og etan (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Derfor har deteksjon av disse feilkarakteristiske gassene blitt mye brukt for å diagnostisere tidlige latente feil og evaluere driftskvaliteten til oljedypede transformatorer (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). I denne forbindelse har gassensorer av metalloksyd semiconductor (MOS) fått stor oppmerksomhet på grunn av deres høyytelsesevne og bredt spekter av applikasjoner for påvisning av disse feilkarakteristiske gassene i transformatorolje (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

gitt dette har ulike metalloksider blitt undersøkt via forskjellige synteseveier (Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018a, b; Wei et al.( 2019a). AV alle oksider, SOM en typisk n-type metalloksyd halvleder, HAR WO3 tiltrukket stor interesse på grunn av sine gode fysisk-kjemiske egenskaper (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). For å forbedre ytelsen til gassensorene, har bærekraftig innsats blitt gjort for å syntetisere ulike nanostrukturer som nanopartikler, nanoroder, nanosheets og nanoflowers (Wei et al .( 2019b). I tillegg har tidligere forskere bekreftet at disse unike strukturer er nært knyttet til gassensoregenskapene (Yu et al., 2016). Derfor morfologi kontrollerbar syntese av ulike hierarkiske WO3 nanostrukturer og forbedret gass sensing forestillinger av disse er av stor betydning for å utforske og diskutere. I denne gjennomgangen fokuserer vi på morfologi kontrollerbar syntese av hierarkiske WO3 nanostrukturer inkludert 0-dimensjonal (0-D), 1-dimensjonal (1-D), 2-dimensjonal (2-D), og 3-dimensjonal (3-D). I tillegg er den forbedrede gassfølingsytelsen og tilhørende mekanismer, spesielt deteksjon av oppløste gasser i transformatorolje, innført.

Syntese, Sensorfabrikasjon og Måling

Syntese AV WO3-Materialer med Forskjellige Strategier

hittil har ulike effektive strategier blitt foreslått for å forberede spesielle overflatemorfologier og deretter produsere WO3-baserte sensorer med forbedret gassfølerytelse. Blant disse synteserutene har malruten, hydrotermisk prosess, elektrospinningsmetode og kjemisk avsetning alle blitt mye brukt. Wang M. D. et al. (2019) syntetiserte tredimensjonalt porøse WO3-materialer med forskjellige porestørrelser via malruten, og de foreslo et forhold mellom porestørrelsen og den forbedrede gassfølingsytelsen. Gibot et al. (2011) rapporterte malsyntese AV ET svært spesifikt overflateareal WO3 nanopartikkel og diskutert overflateegenskaper, morfologi og krystallografisk struktur i detalj. Jin et al. (2019) utviklet forskjellige TYPER WO3 nanopartikler gjennom en lettvint hydrotermisk prosess og foreslo den morfologiske kontrollerbare ruten for å endre andelen av reagensene. Cao Og Chen (2017) brukte en facile CTAB (Hexadecyl trimetyl ammonium bromide)-assistert hydrotermisk metode for å syntetisere en urchin-lignende WO3 nanostruktur, og en sensor basert på dette hadde en utmerket gass sensing ytelse på grunn av sin spesielle mikrostruktur. Giancaterini et al. (2016) undersøkte påvirkning av termisk og synlig lysaktivering på RESPONSEN TIL WO3 nanofibre via en elektrospinningsmetode. Jaroenapibal et al. (2018) presenterte elektrospinning syntese Av Ag-dopet WO3 nanofibre og viste en forbedret gass sensing mekanisme.

Sensor Fabrikasjon og Måling

for å undersøke gass sensing forestillinger av de forskjellige morfologier AV WO3 materialer, blir de preparerte prøvene brukes til å fremstille sideoppvarmede strukturer, de vanligste versjonene av disse er kjent som plane og rørformede konfigurasjoner. Som vist I Figur 1A, begge strukturene var sammensatt av fire deler: sensing materialer, ledninger, electrodesm, og substrat. Sensormaterialene i sensorstrukturen fremstilles ved å oppløse DE oppnådde WO3-pulverene i en vann-etanol blandet løsning. Etter å ha dannet en homogen slurry, blir pastaen belagt på et alumina keramisk substrat jevnt for å oppnå en sensingfilm (Zhou et al., 2019a, b). Ledningene brukes til å koble hele målekretsen og elektrodene brukes til å måle endringen i sensormotstand som direkte reflekterer ytelsen til den produserte sensoren(Zhou et al.( 2018a). Underlaget er vanligvis laget av aluminium, som kan gi pålitelig støtte for sensing materialer (Zhou et al., 2018c, d).

Figur 1. (A) Skjematisk diagram av sensorstrukturer. (B) Skjematisk illustrasjon av en gass sensing eksperimentell plattform. (C) Synteseveier av forskjellige morfologier. Nanopartikler. Gjengitt med tillatelse Fra Kwon et al. Opphavsrett (2010) American Chemical Society. Nanotråder. Gjengitt med tillatelse Fra Wang et al. Opphavsrett (2008) American Chemical Society. Nanoark. Gjengitt med tillatelse Fra Zhang et al. Opphavsrett (2015) American Chemical Society. Nanoblomster. Gjengitt med tillatelse Fra Liu et al. Opphavsrett (2010) American Chemical Society. (D) Gass sensing mekanisme.

gassensoregenskapene til fabrikkerte WO3-baserte sensorer undersøkes ved hjelp av en statisk intelligent gassensoranalyseplattform. Figur 1B presenterer et eksempel gass sensor eksperimentell prosess. I dette oppsettet blir bakgrunnsgassen og målgassen vekselvis introdusert i gasskammeret for å måle den karakteristiske dynamiske responsen og responsgjenvinningsgraden til den forberedte enheten. Strømningsregulatoren brukes til å justere gassens flux og hastighet for å kontrollere konsentrasjonene. De fabrikkerte sensorene er installert i testkammeret, og gassfølsomhetsdataene overføres direkte til den sentrale datamaskinen for behandling (Wei et al.( 2019c).

Morfologi Kontroll Fra 0-D TIL 3-D

generelt er endringen i sensormotstand forårsaket av redoksreaksjonen mellom oksygenmolekyler og testgassmolekyler brukt til å forklare det grunnleggende driftsprinsippet for gassensorer. Overflatemorfologien og spesielle hierarkiske mikrostrukturer har en avgjørende effekt på ytelsen til gassensorer. I denne forbindelse har ulike morfologier fra 0-D til 3-D med unike fysiske og kjemiske egenskaper blitt syntetisert og omfattende utforsket via forskjellige effektive strategier (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). I tillegg har de kontrollerbare syntese ruter AV WO3 nanostrukturer blitt foreslått for å tillate videre etterforskning i hvordan overflaten morfologi påvirker gass sensing egenskaper. Som vist I Figur 1c, kan de fire typiske typer nanostrukturer, fra 0-D til 3-D, kontrollerbart syntetiseres med forskjellige effektive strategier. Gitt dette, for å optimalisere YTELSEN TIL WO3-baserte sensorer for praktisk anvendelse, er utforskning av overflatemorfologi og spesiell hierarkisk struktur fortsatt et utfordrende, men meningsfylt arbeid.

0-Dimensjonal (0-D) WO3

som den laveste dimensjonale strukturen har 0-D WO3 blitt undersøkt mindre da den er begrenset av sitt lave spesifikke overflateareal og utilstrekkelig porøs struktur. Disse ulempene begrenser diffusjonen og adsorpsjonen av målgassmolekyler under sensingprosessen, noe som fører til utilfredsstillende forestillinger. I tillegg, under fremstillingen av 0-D WO3 nanopartikler og driften av den fabrikkerte sensoren, kan grovdannelse og agglomerering av nanopartikler redusere responsen til enheten. IMIDLERTID har ULIKE WO3 nanopartikler blitt rasjonelt designet og syntetisert. BASERT på feilene nevnt ovenfor, WO3 nanopartikler med høy dispersivitet og ultra-små diametre kan forbedre ytelsen til nanopartikkel baserte sensorer. I denne forbindelse, Li et al. (2019) syntetiserte svært dispergerbare WO3 nanopartikler med størrelser fra 10 til 50 nm, og de fant at den produserte sensoren viste en utmerket gassfølerytelse på grunn av det svært effektive overflatearealet og tilstrekkelige oksygen ledige stillinger.

1-Dimensjonale (1-D) WO3

1-D WO3 strukturer, for eksempel nanorods, nanofibers, nanorør, og nanotråder, anses å være gunstig nanostrukturer med forbedrede spesielle overflatearealer i forhold til. Den typiske morfologien har også blitt brukt til deteksjon av feilkarakteristiske gasser oppløst i transformatorolje. Wisitsoorat et al. (2013) utviklet 1-D WO3 nanorods via en magnetron sputtering metode, en H2 sensor basert på som besatt fremtredende egenskaper, inkludert en høy respons og rask respons-utvinning tid. For ytterligere å forbedre ytelsen til 1-D WO3, har doping av metallioner og innføring av overflateaktive stoffer blitt bekreftet å være effektive strategier for å forbedre redoksreaksjonen og orienteringen av spesielle strukturer. Atomisk platina (Pt) anses å være et effektivt dopingelement som kan optimalisere sensoregenskapene, og denne strategien kan forklares av spillover-effekten av oksygenarter og forbedring av adsorpsjon og desorpsjon (Park et al., 2012).

2-Dimensjonale (2-D) WO3

Sammenlignet med lavdimensjonale strukturer har 2-D strukturer et større spesielt overflateareal for målgassmolekylene og dermed høyere gassrespons (Dral og ten Elshof, 2018). I forhold til bulk 3-D struktur, frittstående 2-D strukturer som nanosheets, nanoplates, og tynne filmer kan gi bedre optimalisering ruter inkludert modulering av materialer aktivitet, overflate polarisering og rike oksygen stillinger. I tillegg har den hierarkiske mikrostrukturen samlet av stive 2-d nanosheets en åpen og veldefinert struktur som kan fremme diffusjon av målgassmolekyler (Nasir og Pumera, 2019). Spesielt innen deteksjon av feilkarakteristiske gasser i oljedypede transformatorer, har 2-D WO3-baserte sensorer blitt bekreftet å være lovende kandidater med gode gassfølerytelser. Huang et al. (2020) syntetisert Ru-lastet WO3 nanosheets via en lettvint impregneringsmetode, og de trodde at den høyere aktiviteten til overflategitteroksygener I WO3 nanosheets ble aktivert ved innføring av Ru. Ou et al. (2012) fabrikkert h2 sensorer basert PÅ WO3 nanoplater ved forskjellige kalsinering temperaturer og viste at 2-D struktur besitter en høyere overflate til volum-forhold som tydelig økt antall overflate interaktive områder som kan samhandle Med H2 molekyler.

3-Dimensjonale (3-D) WO3

Hierarkiske 3-D strukturer er alltid satt sammen fra ulike lavere dimensjon grunnleggende blokker slike nanopartikler, nanorods, og nanosheets. Disse forskjellige monteringsruter gjør at de hierarkiske mikrostrukturene presenterer forskjellige spesielle morfologier, for eksempel mikrosfærer, mikroblomster, mesoporøse strukturer og andre uregelmessige strukturer. De veldefinerte strukturene har alltid et større spesielt overflateareal og mer unike mikrostrukturer, noe som fører til bedre gassfølerytelser, inkludert høyere responstider, mer fremtredende selektivitet, stabilitet og repeterbarhet (Zhang et al., 2013). For å oppdage feil karakteristiske gasser, Zhang Y. X. et al. (2019) utarbeidet en sjøkylling-lignende sekskantet WO3-struktur skapt av avkappingseffekten av kaliumsulfat (som kan be om anisotropisk vekst AV WO3) og H2-sensorytelsen ble bekreftet å dra nytte av den spesielle hierarkiske 3-D-mikrostrukturen. Wei et al. (2017) syntetisert hul blomkållignende WO3 ved en lett hydrotermisk prosess og fant at høyere og raskere respons PÅ CO kan ha nytte av den hule porøse mikrostrukturen.

Gass Sensing Egenskaper og Mekanisme

for å forbedre ytelsen til påvisning av feil karakteristiske gasser i olje-nedsenket transformatorer, WO3 baserte sensorer med ulike hierarkiske strukturer har blitt bekreftet å være lovende kandidater for on-line overvåking av olje-nedsenket kraft transformatorer på grunn av deres gode gass sensing egenskaper. I denne delen oppsummerer vi relaterte arbeider basert på de nylig publiserte undersøkelsene (Tabell 1) og foreslår en plausibel gassfølingsmekanisme.

Tabell 1. Oppsummering av nyere forskning PÅ WO3 baserte sensorer for sensing av feil karakteristiske gasser oppløst i transformatorolje.gassfølingsmekanismen til WO3-baserte sensorer kan demonstreres som endringen i sensormotstand forårsaket av redoksreaksjonen mellom oksygenartene (hovedsakelig O−) og testgassmolekyler på overflaten av syntetiserte materialer, som vist I Figur 1D. For typiske N-TYPE WO3-baserte sensormaterialer vil oksygenmolekylene i testmiljøet bli redusert og adsorbert på overflaten av materialene ved å fange elektronene fra ledningsbåndet, og målgassmolekylene vil reagere med oksygenioner og frigjøre elektronene tilbake til ledningsbåndet. De involverte reaksjonene kan beskrives som følger (H2 og CO gass er tatt som eksempler):

H2(g)+o-(annonser)+→h2o(annonser)+e- (3)

konklusjon

i denne mini-gjennomgangen fokuserer vi på syntesestrategier, morfologi kontroll, sensing eksperimentelle prosedyrer og gass sensing forestillinger av hierarkiske wo3 strukturer fra 0-d til 3-D. Gass sensing egenskapene til ulike HØY ytelse WO3 baserte sensorer er oppsummert og diskutert, spesielt i forhold til påvisning av feil karakteristiske gasser oppløst i transformatorolje. Med et økende krav til høykvalitets gassensorer med høye responser, fremtredende selektivitet, enestående stabilitet og utmerket repeterbarhet, har det blitt gjort betydelige anstrengelser for å foreslå mer effektive synteseveier, mer gunstig morfologisk kontroll og mer nøyaktige eksperimentprosesser. DET kan forutsettes at FLERE og flere hierarkiske WO3-strukturer vil bli rasjonelt utformet og forberedt på grunn av deres kompliserte mikrostrukturer med høye spesielle overflater, bredt internt kontaktområde og veldefinerte strukturer. Disse spesielle hierarkiske strukturene vil gi flere diffusjonsbaner, reaktive steder og mikroreaksjonsrom for målgassmolekyler adsorpsjon, retensjon og reaksjon. Selv om noen prestasjoner har blitt gjort ved utrettelige innsats, ytterligere forbedring av gass sensing egenskaper WO3 baserte sensorer for praktiske anvendelser er fortsatt en utfordrende, men meningsfylt arbeid. Vi håper at vårt arbeid kan bidra noen gunstig veiledning til utforskning av overflaten morfologi OG spesielle hierarkiske strukturer AV WO3. I tillegg bør det gjøres mye arbeid for å fremstille WO3-baserte sensorer med høy ytelse med forutsigbart kompliserte hierarkiske strukturer for å oppdage ulike gasser, spesielt feilkarakteristiske gasser oppløst i transformatorolje.

Forfatterbidrag

alle forfattere oppført har gjort et betydelig, direkte og intellektuelt bidrag til arbeidet, og godkjent det for publisering.

Finansiering

dette arbeidet har vært støttet delvis Av National Natural Science Foundation Of China (No. 51507144), Grunnleggende Forskningsmidler For De Sentrale Universiteter (No. XDJK2019B021), Chongqing Vitenskaps – Og Teknologikommisjon (CSTC) (Nr. cstc2016jcyjA0400) og Prosjektet Av Kina Scholarship Council (CSC).

Interessekonflikt

forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.