frontiere în chimie

Introducere

funcționarea sigură și fiabilă a transformatoarelor este de o importanță vitală pentru o alimentare stabilă și continuă a rețelei electrice (Lu și colab., 2018; Zhang D. Z. și colab., 2018; Zhang Q. Y. și colab., 2018; Cui și colab., 2019; Yang și colab., 2019a, b). Până în prezent, numărul de transformatoare imersate în ulei reprezintă mai mult de 90% din numărul total de transformatoare de putere, iar starea de funcționare a acestor transformatoare de putere va afecta în mod direct starea sistemelor de alimentare (Zhou și colab., 2016; Zhang X. X. și colab., 2019). Pentru un transformator de lungă durată, supraîncălzirea parțială și descărcarea parțială vor duce la descompunerea uleiului de transformator într-o varietate de gaze de defecțiune, și anume hidrogen (H2), monoxid de carbon (CO), dioxid de carbon (CO2), metan (CH4), acetilenă (C2H2), etilenă (C2H4) și etan (C2H6) (Jin și colab., 2017; Gao și colab., 2019; Park și colab., 2019; Wang J. X. și colab., 2019). Prin urmare, detectarea acestor gaze caracteristice defecțiunilor a fost aplicată pe scară largă pentru a diagnostica defectele latente timpurii și pentru a evalua calitatea funcționării transformatoarelor imersate în ulei (Zhang și colab., 2018a; Cui și colab., 2019; Gui și colab., 2019). În acest sens, senzorii de gaz Metal oxide semiconductor (MOS) au atras o atenție considerabilă datorită capacității lor de înaltă performanță și a unei game largi de aplicații pentru detectarea acestor gaze caracteristice defecțiunilor în uleiul de transformator (Zhou și colab., 2013; Zhang Y. Z. și colab., 2019).

având în vedere acest lucru, diferiți oxizi metalici au fost investigați prin diferite căi de sinteză (Ge și colab., 2017; Zhou și colab., 2018a, b; Wei și colab., 2019a). Dintre toți oxizii, ca semiconductor tipic de oxid metalic de tip N, WO3 a atras un interes mare datorită proprietăților sale fizico-chimice excelente (Miao și colab., 2015; Xu și colab., 2019). Pentru a îmbunătăți performanța senzorilor de gaz, s-au făcut eforturi durabile pentru a sintetiza diverse nanostructuri, cum ar fi nanoparticule, nanorode, nanosheets și nanoflowers (Wei și colab., 2019b). În plus, cercetătorii anteriori au confirmat că aceste structuri unice sunt strâns legate de proprietățile sale de detectare a gazelor (Yu și colab., 2016). Prin urmare, morfologia sintezei controlabile a diferitelor nanostructuri ierarhice WO3 și performanțele îmbunătățite de detectare a gazelor sunt de o mare importanță pentru a explora și discuta. În această revizuire, ne concentrăm asupra sintezei morfologice controlabile a nanostructurilor ierarhice WO3, inclusiv 0-dimensionale (0-D), 1-dimensionale (1-D), 2-dimensionale (2-D) și 3-dimensionale (3-D). În plus, au fost introduse performanțele îmbunătățite de detectare a gazelor și mecanismele conexe, în special detectarea gazelor dizolvate în uleiul de transformator.

sinteza, fabricarea și măsurarea senzorilor

sinteza materialelor WO3 cu diferite strategii

până în prezent, au fost propuse diferite strategii eficiente pentru pregătirea morfologiilor speciale ale suprafeței și apoi fabricarea senzorilor pe bază de WO3 cu o performanță îmbunătățită de detectare a gazelor. Printre aceste rute de sinteză traseul șablonului, procesul hidrotermal, metoda de electrospinning și depunerea chimică au fost utilizate pe scară largă. Wang M. D. și colab. (2019) au sintetizat materiale WO3 tridimensionale poroase cu dimensiuni diferite ale porilor prin traseul șablonului și au propus o relație între dimensiunea porilor și performanța îmbunătățită de detectare a gazelor. Gibot și colab. (2011) a raportat sinteza șablonului unei nanoparticule WO3 de suprafață foarte specifice și a discutat în detaliu proprietățile suprafeței, morfologia și structura cristalografică. Jin și colab. (2019) a dezvoltat diferite tipuri de nanoparticule WO3 printr-un proces hidrotermal facil și a propus calea morfologică controlabilă de schimbare a proporției reactivilor. Cao și Chen (2017) au folosit o metodă hidrotermală asistată de CTAB facilă (bromură de Hexadecil trimetil amoniu) pentru a sintetiza o nanostructură WO3 asemănătoare urchinului, iar un senzor bazat pe aceasta poseda o performanță excelentă de detectare a gazelor datorită microstructurii sale speciale. Giancaterini și colab. (2016) a investigat influența activării luminii termice și vizibile asupra răspunsului NANOFIBRELOR WO3 printr – o metodă de electrospinning. Jaroenapibal și colab. (2018) a prezentat sinteza electrospinning a NANOFIBRELOR WO3 dopate cu Ag și a demonstrat un mecanism îmbunătățit de detectare a gazelor.

fabricarea și măsurarea senzorilor

pentru a investiga performanțele de detectare a gazelor ale diferitelor morfologii ale materialelor WO3, probele preparate sunt utilizate pentru fabricarea structurilor încălzite lateral, ale căror versiuni Cele mai comune sunt cunoscute sub numele de configurații plane și tubulare. Așa cum este descris în figura 1a, ambele structuri au fost compuse din patru părți: materiale de detectare, fire, electrodesm și substrat. Materialele de detectare din structura senzorului sunt preparate prin dizolvarea pulberilor WO3 obținute într-o soluție mixtă apă-etanol. După formarea unei suspensii omogene, pasta este acoperită uniform pe un substrat ceramic de alumină pentru a obține o peliculă de detectare (Zhou și colab., 2019a, b). Firele sunt utilizate pentru a conecta întregul circuit de măsurare, iar electrozii sunt utilizați pentru a măsura schimbarea rezistenței senzorului care reflectă direct performanța senzorului fabricat (Zhou și colab., 2018a). Substratul este de obicei realizat din aluminiu, care poate oferi suport fiabil pentru materialele de detectare (Zhou și colab., 2018c, d).

proprietățile de detectare a gazelor ale senzorilor fabricați pe bază de WO3 sunt investigate folosind o platformă statică inteligentă de analiză a senzorilor de gaz. Figura 1b prezintă un exemplu de proces experimental senzor de gaz. În această configurație, gazul de fundal și gazul țintă sunt introduse alternativ în camera de gaz pentru a măsura răspunsul dinamic caracteristic și rata de recuperare a răspunsului dispozitivului pregătit. Regulatorul de debit este utilizat pentru a regla fluxul și viteza gazelor pentru a controla concentrațiile acestora. Senzorii fabricați sunt instalați în camera de testare, iar datele de sensibilitate la gaz vor fi transmise direct computerului central pentru procesare (Wei și colab., 2019c).

controlul morfologiei de la 0-D la 3-D

în general, schimbarea rezistenței senzorului cauzată de reacția redox între moleculele de oxigen și moleculele de gaz de testare este utilizată pentru a explica principiul de funcționare de bază al senzorilor de gaz. Morfologia suprafeței și microstructurile ierarhice speciale au un efect crucial asupra performanței senzorilor de gaz. În acest sens, diferite morfologii de la 0-D la 3-D cu proprietăți fizice și chimice unice au fost sintetizate cu succes și explorate pe larg prin diferite strategii eficiente (Guo și colab., 2015; Yao și colab., 2015). În plus, au fost propuse căile de sinteză controlabile ale nanostructurilor WO3 pentru a permite investigații suplimentare asupra modului în care morfologia suprafeței afectează proprietățile de detectare a gazelor. După cum se arată în figura 1C, cele patru tipuri tipice de nanostructuri, de la 0-D la 3-D, pot fi sintetizate controlabil cu diferite strategii eficiente. Având în vedere acest lucru, pentru a optimiza în continuare performanța senzorilor pe bază de WO3 pentru aplicații practice, explorarea morfologiei suprafeței și a structurii ierarhice speciale este încă o lucrare provocatoare, dar semnificativă.

0-dimensional (0-D) WO3

ca cea mai mică structură dimensională, 0-D WO3 a fost investigat mai puțin, deoarece este limitat de suprafața sa specifică scăzută și structura poroasă insuficientă. Aceste dezavantaje limitează difuzia și adsorbția moleculelor de gaz țintă în timpul procesului de detectare, ducând la performanțe nesatisfăcătoare. În plus, în timpul pregătirii nanoparticulelor 0-D WO3 și a funcționării senzorului fabricat, coagularea și aglomerarea nanoparticulelor ar putea reduce răspunsul dispozitivului. Cu toate acestea, diferite nanoparticule WO3 au fost proiectate și sintetizate rațional. Pe baza defectelor menționate mai sus, nanoparticulele WO3 cu dispersivitate ridicată și diametre ultra-mici ar putea îmbunătăți performanța senzorilor pe bază de nanoparticule. În acest sens, Li și colab. (2019) au sintetizat nanoparticule WO3 foarte dispersabile, cu dimensiuni cuprinse între 10 și 50 nm și au descoperit că senzorul Fabricat a prezentat o performanță excelentă de detectare a gazelor datorită suprafeței extrem de eficiente și a locurilor de muncă suficiente pentru oxigen.

1-dimensional (1-D) WO3

1-d WO3 structuri, de exemplu, nanoroduri, nanofibre, nanotuburi, și nanofire, sunt considerate a fi nanostructuri benefice cu suprafețe speciale îmbunătățite în comparație cu. De asemenea, morfologia tipică a fost aplicată la detectarea gazelor caracteristice defecțiunii dizolvate în uleiul de transformator. Wisitsoorat și colab. (2013) a dezvoltat NANORODURI WO3 1-D printr-o metodă de pulverizare cu magnetron, un senzor H2 bazat pe care deținea proprietăți proeminente, inclusiv un răspuns ridicat și un timp rapid de recuperare a răspunsului. Pentru a spori și mai mult performanța 1-D WO3, dopajul ionilor metalici și introducerea agenților tensioactivi s-au confirmat a fi strategii eficiente pentru îmbunătățirea reacției redox și orientarea structurilor speciale. Platina atomică (Pt) este considerată a fi un element eficient de dopaj care poate optimiza proprietățile de detectare și această strategie poate fi explicată prin efectul de contagiune al speciilor de oxigen și prin îmbunătățirea adsorbției și desorbției (Park și colab., 2012).

2-Dimensional (2-D) WO3

comparativ cu structurile cu dimensiuni reduse, structurile 2-D posedă o suprafață specială mai mare pentru moleculele de gaz țintă și, prin urmare, răspunsuri mai mari la gaz (Dral și ten Elshof, 2018). În comparație cu structura 3-D în vrac, structurile 2-D independente, cum ar fi nanosheets, nanoplates și filme subțiri, pot oferi rute de optimizare mai bune, inclusiv modularea activității materialelor, polarizarea suprafeței și posturile vacante bogate în oxigen. În plus, microstructura ierarhică asamblată prin nanosheets rigide 2-D posedă o structură deschisă și bine definită care poate promova difuzia moleculelor de gaz țintă (Nasir și Pumera, 2019). În special în domeniul detectării gazelor caracteristice defecțiunilor în transformatoarele imersate în ulei, senzorii 2-D WO3 s-au confirmat a fi candidați promițători cu performanțe excelente de detectare a gazelor. Huang și colab. (2020) au sintetizat nanosheets WO3 încărcate cu Ru printr-o metodă de impregnare facilă și au crezut că activitatea mai mare a oxigenilor cu zăbrele de suprafață din NANOSHEETS WO3 a fost activată prin introducerea Ru. Ou și colab. (2012) au fabricat senzori H2 pe baza NANOPLATELOR WO3 la diferite temperaturi de calcinare și au demonstrat că structura 2-D posedă un raport suprafață / volum mai mare, ceea ce a crescut în mod clar numărul de zone interactive de suprafață care ar putea interacționa cu moleculele H2.

3-Dimensional (3-D) WO3

structurile ierarhice 3-D sunt întotdeauna asamblate din diverse blocuri fundamentale de dimensiuni inferioare, cum ar fi nanoparticule, nanorode și nanosheets. Aceste diferite căi de asamblare fac ca microstructurile ierarhice să prezinte diferite morfologii speciale, de exemplu, microsfere, microflori, structuri mezoporoase și alte structuri neregulate. Structurile bine definite posedă întotdeauna o suprafață specială mai mare și microstructuri mai unice, ceea ce duce la performanțe mai bune de detectare a gazelor, inclusiv timpi de răspuns mai mari, selectivitate, stabilitate și repetabilitate mai proeminente (Zhang și colab., 2013). Pentru a detecta gazele caracteristice defecțiunilor, Zhang Y. X. și colab. (2019) a pregătit o structură WO3 hexagonală de tip arici de mare creată de efectul de plafonare al sulfatului de potasiu (care poate determina creșterea anizotropă a WO3), iar performanța de detectare a H2 a fost confirmată pentru a beneficia de microstructura ierarhică specială 3-D. Wei și colab. (2017) a sintetizat WO3 asemănător conopidei goale printr-un proces hidrotermal facil și a constatat că răspunsul mai mare și mai rapid la CO ar putea beneficia de microstructura poroasă goală.

proprietățile și mecanismul de detectare a gazelor

pentru a îmbunătăți performanțele detectării gazelor caracteristice defecțiunilor în transformatoarele imersate în ulei, senzorii pe bază de WO3 cu structuri ierarhice diferite au fost confirmați a fi candidați promițători pentru monitorizarea on-line a transformatoarelor de putere imersate în ulei datorită proprietăților lor excelente de detectare a gazelor. În această secțiune, rezumăm lucrările conexe pe baza investigațiilor publicate recent (Tabelul 1) și propunem un mecanism plauzibil de detectare a gazelor.

mecanismul de detectare a gazului al senzorilor pe bază de WO3 poate fi demonstrat ca schimbarea rezistenței senzorului cauzată de reacția redox între speciile de oxigen (în principal o−) și moleculele de gaz de testare pe suprafața materialelor sintetizate, așa cum se arată în figura 1D. Pentru materialele tipice de detectare pe bază de WO3 de tip N, moleculele de oxigen din mediul de testare vor fi reduse și adsorbite pe suprafața materialelor prin captarea electronilor din banda de conducere, iar moleculele de gaz țintă vor reacționa cu ionii de oxigen și vor elibera electronii înapoi în banda de conducere. Reacțiile implicate pot fi descrise după cum urmează (H2 și gazul CO sunt luate ca exemple):

concluzie

în această mini recenzie, ne concentrăm pe strategiile de sinteză, controlul morfologiei, procedurile experimentale de detectare și performanțele de detectare a gazelor ale structurilor ierarhice WO3 de la 0-d la 3-D. Proprietățile de detectare a gazelor ale diferiților senzori de înaltă performanță pe bază de WO3 sunt rezumate și discutate, în special în ceea ce privește detectarea gazelor caracteristice defecțiunilor dizolvate în uleiul de transformator. Cu o cerință din ce în ce mai mare pentru senzori de gaz de înaltă calitate, cu răspunsuri ridicate, selectivitate proeminentă, stabilitate remarcabilă și repetabilitate excelentă, s-au depus eforturi considerabile pentru a propune căi de sinteză mai eficiente, control morfologic mai benefic și procese de experiment mai precise. Se poate prevedea că din ce în ce mai multe structuri ierarhice WO3 vor fi proiectate și pregătite rațional datorită microstructurilor lor complicate cu suprafețe speciale ridicate, zonă largă de contact intern și structuri bine definite. Aceste structuri ierarhice speciale vor oferi mai multe căi de difuzie, site-uri reactive și spații de micro reacție pentru adsorbția, retenția și reacția moleculelor de gaz țintă. Deși unele realizări au fost realizate prin eforturi neîncetate, îmbunătățirea în continuare a proprietăților de detectare a gazelor ale senzorilor pe bază de WO3 pentru aplicații practice este încă o lucrare provocatoare, dar semnificativă. Sperăm că munca noastră poate contribui cu unele îndrumări benefice la explorarea morfologiei suprafeței și a structurilor ierarhice speciale ale WO3. În plus, ar trebui depuse multe eforturi pentru a fabrica senzori de înaltă performanță pe bază de WO3 cu structuri ierarhice previzibil complicate pentru detectarea diferitelor gaze, în special a gazelor caracteristice defecțiunilor dizolvate în uleiul de transformator.

contribuțiile autorului

toți autorii enumerați au adus o contribuție substanțială, directă și intelectuală la lucrare și au aprobat-o pentru publicare.

finanțare

această lucrare a fost susținută în parte de Fundația Națională de științe Naturale din China (nr 51507144), fonduri de cercetare fundamentale pentru universitățile Centrale (nr. XDJK2019B021), Comisia pentru știință și Tehnologie Chongqing (Cstc) (nr. cstc2016jcyjA0400) și Proiectul Consiliului bursier din China (CSC).

Conflict de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.