Frontiers in Chemistry

wstęp

bezpieczna i niezawodna praca transformatorów ma kluczowe znaczenie dla stabilnego i ciągłego zasilania sieci elektroenergetycznej (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). Do tej pory liczba transformatorów zanurzonych w oleju stanowi ponad 90% całkowitej liczby transformatorów mocy, a stan działania tych transformatorów mocy będzie bezpośrednio wpływać na stan systemów energetycznych(Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). W przypadku długotrwałego transformatora częściowe przegrzanie i częściowe rozładowanie doprowadzi do rozkładu oleju transformatorowego na różne gazy powodujące awarię, a mianowicie Wodór (H2), tlenek węgla (co), dwutlenek węgla (CO2), Metan (CH4), acetylen (C2H2), etylen (C2H4) i etan (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park i in., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Stąd wykrywanie tych gazów charakterystycznych dla usterek zostało szeroko stosowane do diagnozowania wczesnych utajonych usterek i oceny jakości pracy transformatorów zanurzonych w oleju (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). Pod tym względem, półprzewodnikowe Czujniki gazu tlenku metalu (MOS) przyciągnęły znaczną uwagę ze względu na ich wysoką wydajność i szeroki zakres zastosowań do wykrywania tych gazów charakterystycznych dla usterek w oleju transformatorowym(Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

biorąc to pod uwagę, różne tlenki metali badano różnymi drogami syntezy (Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018a, b; Wei et al., 2019a). Spośród wszystkich tlenków, jako typowego półprzewodnika z tlenkiem metalu typu N, WO3 przyciągnął duże zainteresowanie ze względu na doskonałe właściwości fizykochemiczne (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). Aby poprawić wydajność czujników gazu, podjęto zrównoważone wysiłki w celu syntezy różnych nanostruktur, takich jak nanocząstki, nanorody, nanosheets i nanoflowers(Wei et al., 2019b). Dodatkowo, poprzedni badacze potwierdzili, że te unikalne struktury są ściśle związane z jego właściwościami wykrywania gazu (YU et al., 2016). W związku z tym morfologia kontrolowana synteza różnych hierarchicznych nanostruktur WO3 i ulepszone ich wyniki wykrywania gazu mają ogromne znaczenie do zbadania i omówienia. W tym przeglądzie skupiamy się na morfologii kontrolowanej syntezy hierarchicznych nanostruktur WO3, w tym 0-wymiarowych (0-D), 1-wymiarowych (1-D), 2-wymiarowych (2-D) i 3-wymiarowych (3-D). Ponadto wprowadzono ulepszone funkcje wykrywania gazu i związane z nimi mechanizmy, w szczególności wykrywanie rozpuszczonych gazów w oleju transformatorowym.

synteza, produkcja czujników i pomiary

synteza materiałów WO3 o różnych strategiach

do tej pory zaproponowano różne skuteczne strategie przygotowania specjalnych morfologii powierzchni, a następnie wytwarzania czujników opartych na WO3 o zwiększonej wydajności wykrywania gazu. Wśród tych szlaków syntezy powszechnie stosuje się drogę wzorcową, proces hydrotermalny, metodę elektrospinania i osadzanie chemiczne. Wang M. D. et al. (2019) zsyntetyzował trójwymiarowe porowate materiały WO3 o różnych rozmiarach porów za pośrednictwem trasy szablonu, a oni zaproponowali związek między rozmiarem porów a zwiększoną wydajnością wykrywania gazu. Gibot i in. (2011) zgłosił syntezę szablonu o bardzo specyficznej powierzchni nanocząstki WO3 i omówił właściwości powierzchni, morfologię i strukturę krystalograficzną w szczegółach. Jin et al. (2019) opracowano różne rodzaje nanocząstek WO3 poprzez łatwy proces hydrotermalny i zaproponowano kontrolowaną morfologię drogi zmiany proporcji odczynników. Cao i Chen (2017) zastosowali łatwą metodę hydrotermalną wspomaganą przez CTAB (Heksadecylo trimetyloamoniowy bromek) do syntezy podobnej do jeżowca nanostruktury WO3, a czujnik oparty na tym posiadał doskonałą wydajność wykrywania gazu dzięki specjalnej mikrostrukturze. Giancaterini et al. (2016) zbadano wpływ aktywacji termicznej i światła widzialnego na odpowiedź nanowłókien WO3 za pomocą metody elektrospinania. Jaroenapibal et al. (2018) przedstawił syntezę elektrospinningową nanowłókien WO3 z domieszką Ag i wykazał ulepszony mechanizm wykrywania gazu.

produkcja i pomiar czujnika

w celu zbadania wydajności wykrywania gazu różnych morfologii materiałów WO3, przygotowane próbki są wykorzystywane do wytwarzania struktur ogrzewanych bocznie, z których najczęstsze wersje są znane jako konfiguracje planarne i rurowe. Jak przedstawiono na fig. 1A, obie struktury składały się z czterech części: materiałów czujnikowych, drutów, elektrodesm i podłoża. Materiały czujnikowe w strukturze czujnika są przygotowywane przez rozpuszczenie otrzymanych proszków WO3 do roztworu mieszanego woda-etanol. Po uformowaniu jednorodnej zawiesiny pasta jest równomiernie powlekana na podłożu ceramicznym z tlenku glinu w celu uzyskania filmu SENSORYCZNEGO(Zhou et al., 2019a, b). Przewody służą do łączenia całego obwodu pomiarowego, a elektrody służą do pomiaru zmiany rezystancji czujnika, która bezpośrednio odzwierciedla wydajność wytwarzanego czujnika(Zhou et al., 2018a). Podłoże jest zwykle wykonane z aluminium, które może zapewnić niezawodne wsparcie dla materiałów wykrywających(Zhou et al.,2018c, d).

właściwości wykrywania gazu wytwarzanych czujników opartych na WO3 są badane przy użyciu statycznej inteligentnej platformy do analizy wykrywania gazu. Rysunek 1B przedstawia przykładowy proces eksperymentalny z czujnikiem gazu. W takiej konfiguracji Gaz tła i gaz docelowy są na przemian wprowadzane do komory gazowej w celu pomiaru charakterystycznej reakcji dynamicznej i szybkości reakcji-odzysku przygotowanego urządzenia. Regulator przepływu służy do regulacji strumienia i prędkości gazów w celu kontroli ich stężenia. Wykonane czujniki są zainstalowane w komorze testowej, a dane wrażliwości gazu będą bezpośrednio przesyłane do centralnego komputera w celu przetworzenia(Wei et al., 2019c).

Kontrola morfologii od 0-D do 3-D

ogólnie rzecz biorąc, zmiana rezystancji czujnika spowodowana reakcją redoks między cząsteczkami tlenu i cząsteczkami gazu testowego służy do wyjaśnienia podstawowej zasady działania czujników gazu. Morfologia powierzchni i specjalne mikrostruktury hierarchiczne mają decydujący wpływ na działanie czujników gazu. Pod tym względem różne morfologie od 0-D do 3-D o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych zostały pomyślnie zsyntetyzowane i szeroko zbadane za pomocą różnych skutecznych strategii (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Dodatkowo, kontrolowane drogi syntezy nanostruktur WO3 zostały zaproponowane, aby umożliwić dalsze badania w jaki sposób morfologia powierzchni wpływa na właściwości wykrywania gazu. Jak pokazano na fig. 1C, cztery typowe rodzaje nanostruktur, od 0-D do 3-D, mogą być kontrolowane syntetyzowane za pomocą różnych skutecznych strategii. Biorąc to pod uwagę, aby jeszcze bardziej zoptymalizować wydajność czujników opartych na WO3 do praktycznego zastosowania, badanie morfologii powierzchni i specjalnej struktury hierarchicznej jest nadal trudną, ale znaczącą pracą.

0-wymiarowy (0-D) WO3

jako najniższa struktura wymiarowa, 0-D WO3 zostało zbadane mniej, ponieważ jest ograniczone przez jego niską powierzchnię właściwą i niewystarczającą strukturę porowatą. Te wady ograniczają dyfuzję i adsorpcję docelowych cząsteczek gazu podczas procesu wykrywania, co prowadzi do niezadowalających wydajności. Dodatkowo, podczas przygotowania nanocząstek 0-D WO3 i działania fabrykowanego czujnika, szorstkowanie i aglomeracja nanocząstek może zmniejszyć odpowiedź urządzenia. Jednak różne nanocząstki WO3 zostały racjonalnie zaprojektowane i zsyntetyzowane. Opierając się na wadach wymienionych powyżej, nanocząstki WO3 o wysokiej dyspergowalności i bardzo małych średnicach mogą poprawić wydajność czujników opartych na nanocząstkach. W tym względzie Li et al. (2019) zsyntetyzowane wysoce dyspergowalne nanocząstki WO3 o rozmiarach od 10 do 50 nm i odkryli, że sfabrykowany czujnik wykazuje doskonałą wydajność wykrywania gazu ze względu na wysoce efektywną powierzchnię i wystarczające wolne miejsca tlenowe.

1-wymiarowe (1-D) WO3

struktury 1-D WO3, na przykład, nanorods, nanowłókna, nanorurki, i nanowires, są uważane za korzystne nanostruktur o ulepszonych specjalnych obszarów powierzchni w porównaniu do. Również typowa morfologia została zastosowana do wykrywania gazów charakterystycznych dla usterek rozpuszczonych w oleju transformatorowym. Wisitsoorat et al. (2013) opracowano nanorody 1-D WO3 za pomocą metody rozpylania magnetronowego, czujnika H2, w oparciu o który posiadał wyraźne właściwości, w tym wysoką odpowiedź i szybki czas reakcji-odzyskiwania. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność 1-D WO3, domieszkowanie jonów metali i wprowadzenie środków powierzchniowo czynnych zostało potwierdzone jako skuteczne strategie poprawy reakcji redoks i orientacji specjalnych struktur. Atomic platinum (Pt)jest uważany za skuteczny element dopingujący, który może zoptymalizować właściwości wykrywania, a strategię tę można wyjaśnić efektem rozlewu gatunków tlenu i wzmocnieniem adsorpcji i desorpcji (Park et al., 2012).

2-wymiarowe (2-D) WO3

w porównaniu ze strukturami o niskich wymiarach, struktury 2-D mają większą specjalną powierzchnię dla docelowych cząsteczek gazu, a zatem wyższe reakcje gazowe (Dral i ten Elshof, 2018). W porównaniu z masową strukturą 3D, wolnostojące struktury 2D, takie jak nanosheets, nanoplates i thin films, mogą zapewnić lepsze trasy optymalizacji, w tym modulację aktywności materiałów, polaryzację powierzchni i bogate wolne miejsca tlenowe. Dodatkowo hierarchiczna mikrostruktura złożona ze sztywnych nanosheetów 2D ma otwartą i dobrze zdefiniowaną strukturę, która może promować dyfuzję docelowych cząsteczek gazu (Nasir i Pumera, 2019). Szczególnie w dziedzinie wykrywania gazów charakterystycznych dla usterek w transformatorach olejowych, czujniki 2-D oparte na WO3 zostały potwierdzone jako obiecujące kandydatki o doskonałych parametrach wykrywania gazu. Huang et al. (2020) zsyntetyzowane RU-loaded WO3 nanosheets poprzez łatwą metodę impregnacji i wierzyli, że wyższa aktywność tlenków sieci powierzchniowej w NANOSHEETS WO3 została aktywowana przez wprowadzenie Ru. Ou i in. (2012) sfabrykowane czujniki H2 oparte na NANOPLATANACH WO3 w różnych temperaturach kalcynacji i udowodniły, że struktura 2-D ma wyższy stosunek powierzchni do objętości, co wyraźnie zwiększyło liczbę powierzchni interaktywnych obszarów, które mogłyby oddziaływać z cząsteczkami H2.

3-wymiarowe (3-D) WO3

hierarchiczne struktury 3-D są zawsze montowane z różnych bloków podstawowych o niższym wymiarze, takich nanocząstek, nanorodów i nanosheets. Te różne drogi montażu sprawiają, że hierarchiczne mikrostruktury prezentują różne specjalne morfologie, na przykład mikrosfery, mikrosfery, struktury mezoporowate i inne nieregularne struktury. Dobrze zdefiniowane struktury zawsze mają większą specjalną powierzchnię i bardziej unikalne mikrostruktury, co prowadzi do lepszych wyników wykrywania gazu, w tym wyższych czasów reakcji, bardziej widocznej selektywności, stabilności i powtarzalności (Zhang et al., 2013). Aby wykryć gazy charakterystyczne dla usterek, Zhang Y. X. et al. (2019) przygotował sześciokątną strukturę WO3 podobną do jeżowca stworzoną przez efekt zamykania siarczanu potasu (który może przyspieszyć anizotropowy wzrost WO3), a skuteczność wykrywania H2 została potwierdzona dzięki specjalnej hierarchicznej mikrostrukturze 3-D. Wei i in. (2017) zsyntetyzowane puste WO3 podobne do kalafiora przez prosty proces hydrotermalny i okazało się, że wyższa i szybsza reakcja na CO może skorzystać z pustej porowatej mikrostruktury.

właściwości i mechanizm wykrywania gazu

aby poprawić wydajność wykrywania gazów charakterystycznych dla usterek w transformatorach olejowych, czujniki oparte na WO3 o różnych strukturach hierarchicznych zostały potwierdzone jako obiecujące kandydaty do monitorowania on-line transformatorów mocy zanurzonych w oleju ze względu na ich doskonałe właściwości wykrywania gazu. W tej sekcji podsumowujemy powiązane prace oparte na niedawno opublikowanych badaniach (Tabela 1) i proponujemy wiarygodny mechanizm wykrywania gazu.

mechanizm wykrywania gazu czujników opartych na WO3 można wykazać jako zmianę rezystancji czujnika spowodowaną reakcją redoks między gatunkami tlenu (głównie O−) i cząsteczkami gazu testowego na powierzchni syntetyzowanych materiałów, jak pokazano na rysunku 1D. W przypadku typowych materiałów detekcyjnych opartych na WO3 typu N cząsteczki tlenu w środowisku testowym zostaną zmniejszone i zaadsorbowane na powierzchni materiałów poprzez wychwytywanie elektronów z pasma przewodnictwa, a docelowe cząsteczki gazu będą reagować z jonami tlenu i uwalniać elektrony z powrotem do pasma przewodnictwa. Zaangażowane reakcje można opisać w następujący sposób (przykładami są Gaz H2 i co):

wniosek

w tym mini przeglądzie skupiamy się na strategiach syntezy, kontroli morfologii, wykrywaniu procedur eksperymentalnych i wykrywaniu gazów hierarchicznych struktur WO3 od 0-d do 3-D. Właściwości wykrywania gazu różnych wysokowydajnych czujników opartych na WO3 są podsumowane i omówione, zwłaszcza w odniesieniu do wykrywania charakterystyk błędów gazów rozpuszczonych w oleju transformatorowym. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wysokiej jakości czujniki gazu o wysokiej odpowiedzi, wyraźnej selektywności, wyjątkowej stabilności i doskonałej powtarzalności, poczyniono znaczne wysiłki w celu zaproponowania bardziej skutecznych dróg syntezy, bardziej korzystnej kontroli morfologii i dokładniejszych procesów eksperymentalnych. Można przewidzieć, że coraz więcej hierarchicznych struktur WO3 będzie racjonalnie zaprojektowanych i przygotowanych ze względu na ich skomplikowane mikrostruktury o wysokich specjalnych powierzchniach, szerokim wewnętrznym obszarze kontaktu i dobrze zdefiniowanych strukturach. Te specjalne struktury hierarchiczne zapewnią więcej ścieżek dyfuzji, miejsc reaktywnych i przestrzeni mikro reakcji dla adsorpcji, retencji i reakcji cząsteczek gazu docelowego. Chociaż niektóre osiągnięcia zostały dokonane przez nieustanne wysiłki, dalsze ulepszenie właściwości wykrywania gazu czujników opartych na WO3 do praktycznych zastosowań jest nadal trudną, ale znaczącą pracą. Mamy nadzieję, że nasza praca może przyczynić się do korzystnych wskazówek do badania morfologii powierzchni i specjalnych struktur hierarchicznych WO3. Ponadto należy dołożyć wszelkich starań, aby wyprodukować wysokiej jakości czujniki oparte na WO3 z przewidywalnie skomplikowanymi strukturami hierarchicznymi do wykrywania różnych gazów, zwłaszcza gazów charakterystycznych dla usterek rozpuszczonych w oleju transformatorowym.

wkład autora

wszyscy wymienieni autorzy wnieśli znaczący, bezpośredni i intelektualny wkład w pracę i zatwierdzili ją do publikacji.

finansowanie

prace te zostały częściowo wsparte przez National Natural Science Foundation Of China (nr 51507144), fundusze badań podstawowych dla Uniwersytetów centralnych (nr 51507144). XDJK2019B021), Chongqing Science and Technology Commission (CSTC) (No. cstc2016jcja0400) oraz projekt China Scholarship Council (CSC).

konflikt interesów

autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.