Introduction
the safe and reliable operation of transformers is of vital importance for a stable and continuous power supply to the power grid (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). Até à data, o número de transformadores imersos em petróleo representa mais de 90% do número total de transformadores de energia, e o estado de funcionamento desses transformadores de energia afetará diretamente a condição dos sistemas de energia (Zhou et al., 2016; Zhang X. et al., 2019). Para uma longa transformador, parcial sobreaquecimento e descarga parcial vai levar para a decomposição do óleo do transformador em uma variedade de falha de gases, ou seja, hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), o metano (CH4), acetileno (C2H2), etileno (C2H4) e etano (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Assim, a detecção destes gases característicos por falhas tem sido extensivamente aplicada para diagnosticar falhas latentes precoces e avaliar a qualidade de operação dos transformadores imersos em óleo (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). A este respeito, os sensores de gases semicondutores de óxido de metal (MOS) têm atraído considerável atenção devido à sua elevada capacidade de desempenho e à sua vasta gama de aplicações para a detecção destes gases característicos por falhas no óleo de transformador (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).tendo em conta o que precede, vários óxidos de metais foram investigados por diferentes vias de síntese (Ge et al., 2017; Zhou et al.,2018a, b; Wei et al., 2019a). De todos os óxidos, como um típico n-Tipo de semicondutor metal-óxido, WO3 tem atraído um grande interesse devido às suas excelentes propriedades físico-químicas (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). Para melhorar o desempenho dos sensores de gás, foram feitos esforços sustentáveis para sintetizar várias nanoestruturas, tais como nanopartículas, nanorods, nanosquetes e nanoflower (Wei et al., 2019b). Além disso, pesquisadores anteriores confirmaram que estas estruturas únicas estão intimamente relacionadas com suas propriedades de detecção de gás (Yu et al., 2016). Por conseguinte, a síntese morfológica controlável das diferentes nanoestruturas hierárquicas WO3 e o desempenho melhorado da detecção de gás são de grande importância para explorar e discutir. Nesta revisão, nos concentramos na síntese morfológica controlável das nanoestruturas hierárquicas WO3 incluindo 0-dimensional (0-D), 1-dimensional (1-D), 2-dimensional (2-D) e 3-dimensional (3-D). Além disso, foi introduzido o desempenho melhorado de detecção de gases e mecanismos relacionados, especialmente a detecção dos gases dissolvidos em óleo de transformador.
síntese, fabricação de sensores e medição
síntese de materiais WO3 com diferentes estratégias
até agora, várias estratégias eficazes foram propostas para preparar morfologias de superfície especiais e, em seguida, fabricar sensores baseados em WO3 com um desempenho melhorado de detecção de gases. Entre essas rotas de síntese, a rota modelo, o processo hidrotermal, o método de eletrospinamento e a deposição química têm sido amplamente utilizados. Wang M. D. et al. (2019) synthesized three-dimensionally porous WO3 materials with different pore sizes via the template route, and they proposed a relationship between the pore size and the enhanced gas sensing performance. Gibot et al. (2011) reported the template synthesis of a highly specific surface area WO3 nanopartcle and discussed the surface properties, morphology and crystallographic structure in detail. Jin et al. (2019) desenvolveu diferentes tipos de nanopartículas WO3 através de um processo hidrotermal fácil e propôs a via controlável morfológica de alterar a proporção dos reagentes. Cao e Chen (2017), usou um fácil CTAB (Hexadecyl trimetil amônio brometo)-assistido hidrotermais método para sintetizar um ouriço-como WO3 nanostructure, e de um sensor baseado neste possuía uma excelente sensoriamento de gás de desempenho devido à sua especial microestrutura. Giancaterini et al. (2016) investiged the influence of thermal – and visible light-activation on the response of WO3 nanofibers via an electrospinning method. Jaroenapibal et al. (2018) apresentou a síntese electrospining dos nanofibers WO3 dopados com Ag e demonstrou um mecanismo reforçado de detecção de gases.para investigar o desempenho das diferentes morfologias dos materiais WO3, as amostras preparadas são utilizadas para fabricar estruturas aquecidas laterais, cujas versões mais comuns são conhecidas como configurações planas e tubulares. Como representado na figura 1A, ambas as estruturas eram compostas por quatro partes: materiais sensoriais, fios, eletrodesmo e substrato. Os materiais sensores na estrutura do sensor são preparados dissolvendo os pós WO3 obtidos numa solução mista água-etanol. Após a formação de um chorume homogéneo, a pasta é coberta por um substrato de cerâmica alumina uniformemente para obter uma película sensível (Zhou et al., 2019a, b). Os fios são usados para ligar todo o circuito de medição e os eletrodos são usados para medir a mudança na resistência do sensor que reflete diretamente o desempenho do sensor fabricado (Zhou et al., 2018a). O substrato é geralmente feito de alumínio, que pode fornecer suporte confiável para a detecção de materiais (Zhou et al., 2018c, d).
a Figura 1. A) diagrama esquemático das estruturas dos sensores. B) ilustração esquemática de uma plataforma experimental sensível ao gás. C) vias de síntese de diferentes morfologias. Nanopartículas. Reprinted with permission from Kwon et al. Copyright (2010) American Chemical Society. Nanowires. Reprinted with permission from Wang et al. Copyright (2008) American Chemical Society. Nanosheets. Reprinted with permission from Zhang et al. Copyright (2015) American Chemical Society. Nanoflower. Reprinted with permission from Liu et al. Copyright (2010) American Chemical Society. D) Mecanismo de Detecção De Gases.as propriedades sensíveis aos gases dos sensores fabricados à base de WO3 são investigadas utilizando uma plataforma de análise estática inteligente dos gases. A figura 1B apresenta um exemplo do processo experimental do sensor de gás. Neste conjunto, o gás de fundo e o gás-alvo são alternadamente introduzidos na câmara de gás para medir a resposta dinâmica característica e a taxa de recuperação da resposta do dispositivo preparado. O regulador de caudais é utilizado para ajustar o fluxo e a velocidade dos gases a fim de controlar as suas concentrações. Os sensores fabricados são instalados na câmara de teste e os dados de sensibilidade ao gás serão transmitidos diretamente para o computador central para processamento (Wei et al., 2019c).
controlo morfológico de 0-D A 3-D
Em geral, a alteração da resistência dos sensores causada pela reacção redox entre as moléculas de oxigénio e as moléculas de gás de ensaio é utilizada para explicar o princípio básico de funcionamento dos sensores de gás. A morfologia da superfície e as microestruturas hierárquicas especiais têm um efeito crucial no desempenho dos sensores de gás. A este respeito, várias morfologias de 0-D a 3-D com propriedades físicas e químicas únicas foram sintetizadas com sucesso e amplamente exploradas através de diferentes estratégias eficazes (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Além disso, as vias de síntese controláveis das nanoestruturas WO3 foram propostas para permitir uma investigação mais aprofundada sobre a forma como a morfologia superficial afeta as propriedades de detecção de gases. Como mostrado na figura 1C, os quatro tipos típicos de nanoestruturas, de 0-D a 3-D, podem ser sintetizados controlavelmente com diferentes estratégias efetivas. Dado isso, para otimizar ainda mais o desempenho dos sensores baseados em WO3 para aplicação prática, a exploração da morfologia superficial e da estrutura hierárquica especial ainda é um trabalho desafiador, mas significativo.
0-Dimensional (0-D) WO3
como a estrutura dimensional mais baixa, o 0-D WO3 tem sido investigado menos uma vez que é limitado pela sua área superficial específica baixa e estrutura porosa insuficiente. Estas desvantagens limitam a difusão e adsorção das moléculas de gás alvo durante o processo de detecção, conduzindo a desempenhos insatisfatórios. Além disso, durante a preparação das nanopartículas 0-D WO3 e o funcionamento do sensor fabricado, o coarsening e a aglomeração das nanopartículas podem diminuir a resposta do dispositivo. No entanto, várias nanopartículas WO3 foram racionalmente projetadas e sintetizadas. Com base nos defeitos acima mencionados, nanopartículas WO3 com alta dispersão e diâmetros ultra-pequenos podem melhorar o desempenho dos sensores baseados em nanopartículas. A este respeito, Li et al. (2019) nanopartículas WO3 sintetizadas altamente dispersíveis, de dimensões compreendidas entre 10 e 50 nm, e descobriram que o sensor fabricado exibia um excelente desempenho em termos de detecção de gases devido à área de superfície altamente eficaz e a suficientes vagas de oxigénio.
1-Dimensional (1-D) WO3
1-D WO3 estruturas, por exemplo, nanorods, nanofibras, nanotubos e nanofios, são considerados benéficos nanoestruturas com maior superfície de áreas comparada. Além disso, a morfologia típica tem sido aplicada à detecção dos gases característicos de falha dissolvidos em óleo de transformador. Wisitsoorat et al. (2013) developed 1-D WO3 nanorods via a magnetron sputtering method, an H2 sensor based on which possessed prominent properties including a high response and fast response-recovery time. Para melhorar ainda mais o desempenho do 1-D WO3, a dopagem de íons metálicos e a introdução de surfactantes foram confirmadas como estratégias eficazes para melhorar a reação redox e a orientação de estruturas especiais. A platina atômica (Pt) é considerada um elemento dopante eficaz que pode otimizar as propriedades sensoriais e esta estratégia pode ser explicada pelo efeito de deslocamento de espécies de oxigênio e pelo aumento da adsorção e dessorção (Park et al., 2012).
2-Dimensional (2-D) WO3
em comparação com estruturas de dimensão baixa, as estruturas de 2-D possuem uma área de superfície especial maior para as moléculas de gás alvo e, portanto, respostas de gás mais elevadas (Dral e ten Elshof, 2018). Em comparação com a estrutura 3-D Em Massa, estruturas 2-D livres, tais como nanosquetes, nanoplates e filmes finos, podem fornecer melhores rotas de otimização, incluindo a modulação da atividade dos materiais, polarização superficial e vagas de oxigênio ricas. Além disso, a microestrutura hierárquica montada por nanosheets rígidos 2-D possui uma estrutura aberta e bem definida que pode promover a difusão de moléculas de gás alvo (Nasir e Pumera, 2019). Especialmente no campo da detecção de gases característicos de falhas em transformadores imersos em óleo, sensores baseados em WO3 2-D foram confirmados como candidatos promissores com excelentes desempenhos de detecção de gases. Huang et al. (2020) os nanosheets WO3 sintetizados com EF através de um método de impregnação fácil e acreditavam que a maior actividade dos oxigens da rede de retículos de superfície nos nanosheets WO3 era activada pela introdução da EF. Ou et al. (2012) fabricados H2 sensores WO3 nanoplates em diferentes temperaturas de calcinação e provou que a 2-D estrutura possui uma maior superfície, volume, proporção que, claramente, aumentou o número de superfície de áreas interativas que podem interagir com moléculas de H2.as estruturas hierárquicas 3-D são sempre montadas a partir de diversos blocos fundamentais de menor dimensão, tais como nanopartículas, nanorods e nanosheets. Estas várias rotas de montagem fazem com que as microestruturas hierárquicas apresentem diferentes morfologias especiais, por exemplo, microesferas, micro-Flores, estruturas mesopóricas e outras estruturas irregulares. As estruturas bem definidas sempre possuem uma área de superfície especial maior e microestruturas mais únicas, levando a melhores desempenhos de detecção de gases, incluindo tempos de resposta mais elevados, seletividade, estabilidade e repetibilidade mais proeminentes (Zhang et al., 2013). Para detectar gases característicos de falha, Zhang Y. X. et al. (2019) preparou um mar, ouriço-como hexagonal WO3 estrutura criada pelo nivelamento efeito de potássio sulfato (que pode induzir o crescimento anisotrópico de WO3) e o H2 detecção de desempenho foi confirmado para beneficiar de especial hierárquica de 3-D microestrutura. Wei et al. (2017) synthesized hollow cauliflower-like WO3 by a facile hydrothermal process and found that the higher and faster response to CO might benefit from the hollow porous microstructure.Propriedades e mecanismos sensíveis ao gás para melhorar o desempenho da detecção de gases característicos de avarias em transformadores imersos em petróleo, confirmou-se que os sensores à base de WO3 com diferentes estruturas hierárquicas são candidatos promissores para a monitorização em linha de transformadores de energia imersos em petróleo, devido às suas excelentes propriedades sensíveis ao gás. Nesta seção, resumimos os trabalhos relacionados com base nas investigações recentemente publicadas (Tabela 1) e propomos um mecanismo plausível de detecção de gás.
a Tabela 1. Resumo de pesquisas recentes em sensores baseados em WO3 para detecção de gases característicos de falha dissolvidos em óleo de transformador.o mecanismo de detecção de gases dos sensores de base WO3 pode ser demonstrado como a alteração da resistência dos sensores causada pela reacção redox entre as espécies de oxigénio (principalmente o−) e as moléculas de gás de ensaio na superfície de materiais sintetizados, como demonstrado na figura 1D. Para materiais sensoriais típicos baseados em n-Tipo WO3, as moléculas de oxigênio no ambiente de teste serão reduzidas e adsorvidas na superfície dos materiais, capturando os elétrons da banda de condução, e as moléculas de gás alvo irão reagir com os íons de oxigênio e liberar os elétrons de volta para a banda de condução. As reações envolvidas podem ser descritas como segue (H2 e CO gás são tomados como exemplos):
Conclusão
neste mini revisão, vamos nos concentrar sobre a síntese de estratégias, a morfologia de controle, detecção de procedimentos experimentais e de sensoriamento de gás performances hierárquico de WO3 estruturas de 0-D para 3-D. As propriedades sensíveis ao gás de vários sensores baseados em WO3 de alto desempenho são resumidas e discutidas, especialmente no que diz respeito à detecção de gases característicos de falha dissolvidos em óleo de transformador. Com uma exigência crescente de sensores de gás de alta qualidade com respostas elevadas, seletividade proeminente, excelente estabilidade e excelente repetibilidade, esforços consideráveis foram feitos para propor rotas de síntese mais eficazes, controle morfológico mais benéfico e processos de experiência mais precisos. Pode-se prever que cada vez mais estruturas WO3 hierárquicas serão concebidas e preparadas racionalmente devido às suas complexas microestruturas com áreas de superfície especiais elevadas, ampla área de contacto interno e estruturas bem definidas. Estas estruturas hierárquicas especiais proporcionarão mais caminhos de difusão, locais reativos e espaços de micro-reação para moléculas de gás alvo adsorção, retenção e reação. Embora algumas conquistas tenham sido feitas por esforços incessantes, o maior aprimoramento das propriedades de detecção de gás dos sensores baseados em WO3 para aplicações práticas ainda é um trabalho desafiador, mas significativo. Esperamos que o nosso trabalho possa contribuir com alguma orientação benéfica para a exploração da morfologia superficial e das estruturas hierárquicas especiais do WO3. Além disso, muito esforço deve ser feito para fabricar sensores baseados em WO3 de alto desempenho com estruturas hierárquicas previsivelmente complicadas para detectar vários gases, especialmente os gases característicos de falha dissolvidos em óleo de transformador.
contribuições do autor
todos os autores listados fizeram uma contribuição substancial, direta e intelectual para a obra, e aprovou-a para publicação.
financiamento
Este trabalho tem sido apoiado em parte pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China (N. º 51507144), fundos de investigação Fundamental para as universidades centrais (N. º 51507144). XDJK2019B021), a Chongqing Science and Technology Commission (CSTC) (No. cstc2016jcyjA0400) e o projeto do China Scholarship Council (CSC).
conflito de interesses
os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.