grenzen in de chemie

Inleiding

de veilige en betrouwbare werking van transformatoren is van vitaal belang voor een stabiele en continue stroomvoorziening aan het elektriciteitsnet (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). Tot op heden is het aantal olie-ondergedompelde transformatoren goed voor meer dan 90% van het totale aantal transformatoren, en de bedrijfstoestand van deze transformatoren zal direct van invloed zijn op de conditie van energiesystemen (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). Voor een langlopende transformator leiden gedeeltelijke oververhitting en gedeeltelijke ontlading tot de afbraak van transformatorolie in een verscheidenheid aan foutgassen, namelijk waterstof (H2), koolmonoxide (CO), kooldioxide (CO2), methaan (CH4), acetyleen (C2H2), ethyleen (C2H4) en ethaan (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Daarom is de detectie van deze foutkarakteristieke gassen uitgebreid toegepast om vroege latente fouten te diagnosticeren en de werkingskwaliteit van olie-ondergedompelde transformatoren te evalueren (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). In dit opzicht hebben metaaloxide semiconductor (MOS) gassensoren aanzienlijke aandacht getrokken vanwege hun hoge prestatievermogen en brede waaier van toepassingen voor de detectie van deze foutkarakteristieke gassen in transformatorolie (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

daarom zijn verschillende metaaloxiden onderzocht via verschillende syntheseroutes (Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018a, b; Wei et al., 2019a). Van alle oxiden, als een typische n-type metaaloxide halfgeleider, WO3 heeft aangetrokken een grote hoeveelheid interesse vanwege zijn uitstekende fysisch-chemische eigenschappen (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). Om de prestaties van de gassensoren te verbeteren, zijn duurzame inspanningen geleverd om verschillende nanostructuren zoals nanodeeltjes, nanorods, nanosheets en nanoflowers te synthetiseren (Wei et al., 2019b). Daarnaast hebben eerdere onderzoekers bevestigd dat deze unieke structuren nauw verwant zijn aan zijn gasdetectieeigenschappen (Yu et al., 2016). Daarom zijn de morfologie controleerbare synthese van verschillende hiërarchische WO3 nanostructuren en de verbeterde gas sensing prestaties daarvan van groot belang om te verkennen en te bespreken. In dit overzicht richten we ons op de morfologie controleerbare synthese van hiërarchische WO3 nanostructuren waaronder 0-dimensionaal (0-D), 1-dimensionaal (1-D), 2-dimensionaal (2-D), en 3-dimensionaal (3-D). Daarnaast zijn de verbeterde gasdetectieprestaties en bijbehorende mechanismen, met name de detectie van opgeloste gassen in transformatorolie, geïntroduceerd.

synthese, Sensorfabricage en meting

synthese van WO3-materialen met verschillende strategieën

tot nu toe zijn verschillende effectieve strategieën voorgesteld voor het voorbereiden van speciale oppervlaktemorfologieën en vervolgens het vervaardigen van WO3-gebaseerde sensoren met een verbeterde gasdetectie. Onder deze syntheseroutes zijn de template route, het hydrothermale proces, de elektrospinningsmethode en de chemische depositie veel gebruikt. Wang M. D. et al. (2019) synthetiseerde driedimensionaal poreuze WO3 materialen met verschillende poriegroottes via de template route, en ze stelden een relatie voor tussen de poriegrootte en de verbeterde gasdetectieprestaties. Gibot et al. (2011) rapporteerde de template synthese van een zeer specifieke oppervlakte WO3 nanodeeltjes en besprak de oppervlakte-eigenschappen, morfologie en kristallografische structuur in detail. Jin et al. (2019) ontwikkelde verschillende soorten WO3 nanodeeltjes door middel van een gemakkelijk hydrothermisch proces en stelde de morfologie controleerbare route voor om het aandeel van de reagentia te veranderen. Cao en Chen (2017) gebruikten een facile ctab (Hexadecyl trimethyl ammoniumbromide)-ondersteunde hydrothermale methode om een egel-achtige WO3 nanostructuur te synthetiseren, en een sensor op basis hiervan bezat een uitstekende gasdetectieprestaties vanwege zijn speciale microstructuur. Giancaterini et al. (2016) onderzocht de invloed van thermische – en zichtbare lichtactivering op de respons van WO3 nanovezels via een elektrospinning methode. Jaroenapibal et al. (2018) presenteerde de elektrospinning synthese van Ag-gedoteerde WO3 nanovezels en demonstreerde een verbeterd gas sensing mechanisme.

sensor fabricage en meting

om de gasdetectieprestaties van de verschillende morfologieën van WO3-materialen te onderzoeken, worden de geprepareerde monsters gebruikt om zijverwarmde structuren te fabriceren, waarvan de meest voorkomende versies vlakke en buisvormige configuraties worden genoemd. Zoals afgebeeld in Figuur 1A, waren beide structuren samengesteld uit vier delen: sensormaterialen, draden, elektroden en substraat. De sensormaterialen in de sensorstructuur worden bereid door de verkregen WO3-poeders op te lossen in een water-ethanol gemengde oplossing. Na het vormen van een homogene slurry, de pasta wordt gecoat op een aluminiumoxide keramische substraat gelijkmatig om een sensor film (Zhou et al., 2019a, b). De draden worden gebruikt om het hele meetcircuit aan te sluiten en de elektroden worden gebruikt om de verandering in sensorweerstand te meten die direct de prestaties van de gefabriceerde sensor weerspiegelt (Zhou et al., 2018a). Het substraat is meestal gemaakt van aluminium, dat betrouwbare ondersteuning kan bieden voor het detecteren van materialen (Zhou et al., 2018c, d).

De gasdetectie-eigenschappen van gefabriceerde WO3-gebaseerde sensoren worden onderzocht met behulp van een statisch intelligent gasdetectie-analyseplatform. Figuur 1B geeft een voorbeeld van het experimentele proces van de gassensor. In deze opstelling worden het achtergrondgas en het doelgas afwisselend in de gaskamer gebracht om de karakteristieke dynamische respons en de respons-terugwinningssnelheid van het voorbereide apparaat te meten. De stroomregelaar wordt gebruikt om de flux en snelheid van gassen aan te passen om hun concentraties te regelen. De gefabriceerde sensoren worden in de testkamer geïnstalleerd en de gasgevoeligheidsgegevens worden rechtstreeks naar de centrale computer verzonden voor verwerking (Wei et al., 2019c).

morfologische controle van 0-D naar 3-D

in het algemeen wordt de verandering in sensorweerstand veroorzaakt door de redoxreactie tussen zuurstofmoleculen en testgasmoleculen gebruikt om het basisprincipe van gassensoren te verklaren. De oppervlaktemorfologie en speciale hiërarchische microstructuren hebben een cruciaal effect op de prestaties van gassensoren. In dit opzicht zijn verschillende morfologieën van 0-D tot 3-D met unieke fysische en chemische eigenschappen met succes gesynthetiseerd en uitgebreid onderzocht via verschillende effectieve strategieën (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Daarnaast zijn de controleerbare syntheseroutes van WO3 nanostructuren voorgesteld om verder onderzoek mogelijk te maken naar de invloed van de oppervlaktemorfologie op gasdetectieeigenschappen. Zoals getoond in Figuur 1C, kunnen de vier typische soorten nanostructuren, van 0-D tot 3-D, regelbaar worden gesynthetiseerd met verschillende effectieve strategieën. Om de prestaties van op WO3 gebaseerde sensoren verder te optimaliseren voor praktische toepassing, is de exploratie van oppervlaktemorfologie en speciale hiërarchische structuur nog steeds een uitdagend maar zinvol werk.

0-dimensionale (0-D) WO3

als de laagste dimensionale structuur is 0-D WO3 minder onderzocht omdat het wordt beperkt door zijn lage specifieke oppervlakte en onvoldoende poreuze structuur. Deze nadelen beperken de diffusie en adsorptie van doelgasmoleculen tijdens het ontdekkingsproces, wat leidt tot onbevredigende prestaties. Bovendien, tijdens de voorbereiding van 0-D WO3 nanoparticles en de werking van de gefabriceerde sensor, kunnen het groperen en de agglomeratie van nanoparticles de reactie van het apparaat verminderen. Nochtans, zijn diverse WO3 nanoparticles rationeel ontworpen en samengesteld. Gebaseerd op de bovengenoemde defecten, WO3 nanoparticles met hoge dispersiviteit en ultra-kleine diameters kunnen de prestaties van nanoparticle gebaseerde sensoren verbeteren. In dit opzicht, Li et al. (2019) gesynthetiseerde zeer verspreidbare WO3 nanodeeltjes met afmetingen variërend van 10 tot 50 nm en ze vonden dat de gefabriceerde sensor een uitstekende gas sensor prestaties vertoonde vanwege het zeer effectieve oppervlak en voldoende zuurstof vacatures.

1-dimensionale (1-D) WO3

1-D WO3-structuren, bijvoorbeeld nanoroden, nanovezels, nanobuizen en nanodraden, worden beschouwd als nuttige nanostructuren met verbeterde speciale oppervlakken in vergelijking met. Ook is de typische morfologie toegepast op de detectie van de foutkarakteristieke gassen opgelost in transformatorolie. Wisitsoorat et al. (2013) ontwikkelde 1-D WO3 nanorods via een magnetron sputteren methode, een H2-sensor op basis waarvan bezat prominente eigenschappen, waaronder een hoge respons en snelle reactie-hersteltijd. Om de prestaties van 1-D WO3 verder te verbeteren, zijn de doping van metaalionen en de introductie van oppervlakteactieve stoffen bevestigd als effectieve strategieën om de redoxreactie en de oriëntatie van speciale structuren te verbeteren. Atomic platinum (Pt) wordt beschouwd als een effectief doping-element dat de detectieeigenschappen kan optimaliseren en deze strategie kan worden verklaard door het spillover-effect van zuurstofsoorten en de verbetering van adsorptie en desorptie (Park et al., 2012).

2-dimensionale (2-D) WO3

vergeleken met laagdimensionale structuren bezitten 2-D structuren een groter speciaal oppervlak voor de doelgasmoleculen en dus hogere gasresponsen (Dral en ten Elshof, 2018). In vergelijking met de bulk 3-D-structuur kunnen vrijstaande 2-D-structuren zoals nanosheets, nanoplaten en dunne films betere optimalisatieroutes bieden, waaronder de modulatie van de materiaalactiviteit, oppervlaktepolarisatie en rijke zuurstofvacatures. Bovendien bezit de hiërarchische microstructuur die door stijve 2D nanosheets wordt geassembleerd een open en goed-gedefinieerde structuur die de verspreiding van doelgasmoleculen kan bevorderen (Nasir en Pumera, 2019). Vooral op het gebied van de detectie van foutkarakteristieke gassen in olie-ondergedompelde transformatoren, zijn 2-D WO3 gebaseerde sensoren bevestigd als veelbelovende kandidaten met uitstekende gasdetectieprestaties. Huang et al. (2020) gesynthetiseerd RU-geladen WO3 nanosheets via een facile impregnatie methode en zij geloofden dat de hogere activiteit van oppervlakterooster oxygens in WO3 nanosheets werd geactiveerd door de introductie van Ru. Ou et al. (2012) vervaardigde H2-sensoren op basis van WO3 nanoplaten bij verschillende calcinatietemperaturen en bewees dat de 2-D-structuur een hogere oppervlakte-volumeverhouding bezit, waardoor duidelijk het aantal oppervlakte-interactieve gebieden steeg die met H2-moleculen konden interageren.

3-dimensionale (3-D) WO3

hiërarchische 3-D structuren worden altijd samengesteld uit verschillende fundamentele blokken van lagere dimensies zoals nanodeeltjes, nanoroden en nanosheets. Deze verschillende assemblageroutes zorgen ervoor dat de hiërarchische microstructuren verschillende speciale morfologieën vertonen, bijvoorbeeld microsferen, microbloemen, mesoporeuze structuren en andere onregelmatige structuren. De goed gedefinieerde structuren bezitten altijd een groter speciaal oppervlak en meer unieke microstructuren, wat leidt tot betere gasdetectieprestaties, waaronder hogere responstijden, meer prominente selectiviteit, stabiliteit en herhaalbaarheid (Zhang et al., 2013). Om defectkarakteristieke gassen te detecteren, Zhang Y. X. et al. (2019) bereidde een zee-egel-achtige zeshoekige WO3 structuur gecreëerd door het afdekeffect van kaliumsulfaat (die de anisotrope groei van WO3 kan veroorzaken) en de H2 sensor prestaties werd bevestigd om te profiteren van de speciale hiërarchische 3-D microstructuur. Wei et al. (2017) gesynthetiseerd holle bloemkool-achtige WO3 door een facile hydrothermale proces en vond dat de hogere en snellere reactie op CO zou kunnen profiteren van de holle poreuze microstructuur.

Gasdetectieeigenschappen en-mechanisme

om de prestaties van de detectie van foutkarakteristieke gassen in transformatoren met olie-onderdompeling te verbeteren, zijn WO3-gebaseerde sensoren met verschillende hiërarchische structuren bevestigd veelbelovende kandidaten te zijn voor online monitoring van transformatoren met olie-onderdompeling vanwege hun uitstekende gasdetectieeigenschappen. In dit hoofdstuk vatten we de verwante werken samen op basis van de recent gepubliceerde onderzoeken (Tabel 1) en stellen we een plausibel gasdetectiemechanisme voor.

het gasdetectiemechanisme van de op WO3 gebaseerde sensoren kan worden aangetoond als de verandering in sensorweerstand veroorzaakt door de redoxreactie tussen de zuurstofsoorten (voornamelijk O−) en testgasmoleculen op het oppervlak van gesynthetiseerde materialen, zoals weergegeven in Figuur 1D. Voor typische op n-type WO3 gebaseerde sensormaterialen worden de zuurstofmoleculen in de testomgeving gereduceerd en geadsorbeerd aan het oppervlak van de materialen door de elektronen van de geleidingsband op te nemen, en de doelgasmoleculen reageren met de zuurstofionen en geven de elektronen terug aan de geleidingsband. De betrokken reacties kunnen als volgt worden beschreven (H2 en CO gas worden als voorbeeld genomen).: