gränser i kemi

introduktion

säker och pålitlig drift av transformatorer är av avgörande betydelse för en stabil och kontinuerlig strömförsörjning till elnätet (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). Hittills står antalet oljedämpade transformatorer för mer än 90% av det totala antalet krafttransformatorer, och drifttillståndet för dessa krafttransformatorer kommer direkt att påverka kraftsystemens tillstånd (Zhou et al., 2016; Zhang X. X. et al., 2019). För en långvarig transformator kommer partiell överhettning och partiell urladdning att leda till sönderdelning av transformatorolja i en mängd olika felgaser, nämligen väte (H2), kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2), metan (CH4), acetylen (C2H2), eten (C2H4) och etan (C2H6) (Jin et al., 2017; Gao et al., 2019; Park et al., 2019; Wang J. X. et al., 2019). Därför har detekteringen av dessa felkarakteristiska gaser använts i stor utsträckning för att diagnostisera tidiga latenta fel och utvärdera driftskvaliteten hos oljedämpade transformatorer (Zhang et al., 2018a; Cui et al., 2019; Gui et al., 2019). I detta avseende har metalloxidhalvledare (MOS) gassensorer väckt stor uppmärksamhet på grund av deras högpresterande kapacitet och brett spektrum av applikationer för detektering av dessa felkarakteristiska gaser i transformatorolja (Zhou et al., 2013; Zhang Y. Z. et al., 2019).

Med tanke på detta har olika metalloxider undersökts via olika syntesvägar (Ge et al., 2017; Zhou et al., 2018a, b; Wei et al., 2019a). Av alla oxider, som en typisk N-typ metalloxidhalvledare, har WO3 väckt ett stort intresse på grund av dess utmärkta fysikalisk-kemiska egenskaper (Miao et al., 2015; Xu et al., 2019). För att förbättra prestandan hos gassensorerna har hållbara ansträngningar gjorts för att syntetisera olika nanostrukturer såsom nanopartiklar, nanorods, nanosheets och nanoflowers (Wei et al., 2019b). Dessutom har tidigare forskare bekräftat att dessa unika strukturer är nära besläktade med dess gasavkänningsegenskaper (Yu et al., 2016). Därför är morfologin kontrollerbar syntes av olika hierarkiska WO3 nanostrukturer och de förbättrade gasavkänningsföreställningarna därav av stor betydelse att utforska och diskutera. I denna översyn fokuserar vi på morfologi kontrollerbar syntes av hierarkiska WO3 nanostrukturer inklusive 0-dimensionell (0-D), 1-dimensionell (1-D), 2-dimensionell (2-D) och 3-dimensionell (3-D). Dessutom har den förbättrade gasavkänningsprestanda och relaterade mekanismer, särskilt detektering av de upplösta gaserna i transformatorolja, införts.

syntes, Sensortillverkning och mätning

syntes av WO3-material med olika strategier

hittills har olika effektiva strategier föreslagits för att förbereda speciella ytmorfologier och sedan tillverka WO3-baserade sensorer med en förbättrad gasavkänningsprestanda. Bland dessa syntesvägar har mallvägen, hydrotermisk process, elektrospinningsmetod och kemisk deponering alla använts i stor utsträckning. Wang M. D. et al. (2019) syntetiserade tredimensionellt porösa WO3-material med olika porstorlekar via mallvägen, och de föreslog ett samband mellan porstorleken och den förbättrade gasavkänningsprestanda. Gibot et al. (2011) rapporterade mallsyntesen av en mycket specifik ytarea WO3 nanopartikel och diskuterade ytegenskaperna, morfologin och kristallografisk struktur i detalj. Jin et al. (2019) utvecklade olika typer av WO3-nanopartiklar genom en lätt hydrotermisk process och föreslog den morfologiska kontrollerbara vägen för att ändra andelen reagenser. Cao och Chen (2017) använde en facile CTAB (Hexadecyl trimetylammoniumbromid)-assisterad hydrotermisk metod för att syntetisera en urchin-liknande WO3 nanostruktur, och en sensor baserad på detta hade en utmärkt gasavkänningsprestanda på grund av dess speciella mikrostruktur. Giancaterini et al. (2016) undersökte påverkan av termisk – och synlig ljusaktivering på svaret från WO3 nanofibrer via en elektrospinningsmetod. Jaroenapibal et al. (2018) presenterade elektrospinning syntes av Ag-dopade WO3 nanofibrer och visade en förbättrad gasavkänningsmekanism.

Sensortillverkning och mätning

för att undersöka gasavkänningsprestanda för de olika morfologierna hos WO3-material används de beredda proverna för att tillverka sidouppvärmda strukturer, vars vanligaste versioner är kända som plana och rörformiga konfigurationer. Som avbildat i Figur 1A bestod båda strukturerna av fyra delar: avkänningsmaterial, trådar, elektrodesm och substrat. Avkänningsmaterialen i sensorstrukturen framställs genom upplösning av de erhållna WO3-pulvren i en vatten-etanolblandad lösning. Efter att ha bildat en homogen uppslamning beläggs pastan på ett keramiskt substrat av aluminiumoxid jämnt för att erhålla en avkänningsfilm (Zhou et al., 2019a, b). Ledningarna används för att ansluta hela mätkretsen och elektroderna används för att mäta förändringen i sensormotstånd som direkt återspeglar prestandan hos den tillverkade sensorn (Zhou et al., 2018a). Substratet är vanligtvis tillverkat av aluminium, vilket kan ge pålitligt stöd för avkänningsmaterial (Zhou et al., 2018c, d).

gasavkänningsegenskaperna hos tillverkade WO3-baserade sensorer undersöks med hjälp av en statisk intelligent gasavkänningsanalysplattform. Figur 1B presenterar ett exempel gassensor experimentell process. I denna inställning införs bakgrundsgasen och målgasen växelvis i gaskammaren för att mäta det karakteristiska dynamiska svaret och svaråtervinningshastigheten för den beredda anordningen. Flödesregulatorn används för att justera gasernas flöde och hastighet för att kontrollera deras koncentrationer. De tillverkade sensorerna installeras i testkammaren och gaskänslighetsdata kommer att överföras direkt till den centrala datorn för bearbetning (Wei et al., 2019c).

Morfologikontroll från 0-D till 3-D

i allmänhet används förändringen i sensormotstånd orsakad av redoxreaktionen mellan syremolekyler och testgasmolekyler för att förklara den grundläggande driftsprincipen för gassensorer. Ytmorfologin och speciella hierarkiska mikrostrukturer har en avgörande effekt på gassensorernas prestanda. I detta avseende har olika morfologier från 0-D till 3-D med unika fysikaliska och kemiska egenskaper framgångsrikt syntetiserats och undersökts omfattande via olika effektiva strategier (Guo et al., 2015; Yao et al., 2015). Dessutom har de kontrollerbara syntesvägarna för WO3 nanostrukturer föreslagits för att möjliggöra ytterligare undersökning av hur ytmorfologi påverkar gasavkänningsegenskaper. Såsom visas i figurera 1C, kan de fyra typiska typerna av nanostructures, från 0-D till 3-D, vara controllably synthesized med olika effektiva strategier. Med tanke på detta, för att ytterligare optimera prestanda hos WO3 – baserade sensorer för praktisk tillämpning, är utforskningen av ytmorfologi och speciell hierarkisk struktur fortfarande ett utmanande men meningsfullt arbete.

0-dimensionell (0-D) WO3

som den lägsta dimensionella strukturen har 0-D WO3 undersökts mindre eftersom den är begränsad av dess låga specifika yta och otillräcklig porös struktur. Dessa nackdelar begränsar diffusionen och adsorptionen av målgasmolekyler under avkänningsprocessen, vilket leder till otillfredsställande prestanda. Dessutom, under beredningen av 0-D WO3 nanopartiklar och driften av den tillverkade sensorn, kan grovbildning och agglomerering av nanopartiklarna minska enhetens svar. Men olika WO3 nanopartiklar har rationellt utformats och syntetiserats. Baserat på de ovan nämnda defekterna kan WO3-nanopartiklar med hög dispersivitet och ultra-små diametrar förbättra prestandan hos nanopartikelbaserade sensorer. I detta avseende, Li et al. (2019) syntetiserade mycket dispergerbara WO3-nanopartiklar med storlekar från 10 till 50 nm och de fann att den tillverkade sensorn uppvisade en utmärkt gasavkänningsprestanda på grund av den mycket effektiva ytan och tillräckliga syrevakanser.

1-dimensionell (1-D) WO3

1-D WO3-strukturer, till exempel nanorods, nanofibrer, nanorör och nanotrådar, anses vara fördelaktiga nanostrukturer med förbättrade speciella ytor jämfört med. Den typiska morfologin har också tillämpats på detekteringen av felkarakteristiska gaser upplösta i transformatorolja. Wisitsoorat et al. (2013) framkallade 1-D WO3 nanorods via en magnetronförstoftningsmetod, en H2-sensor baserad på vilken hade framträdande rekvisita inklusive en kickrespons och snabbresponsåterhämtningstid. För att ytterligare förbättra prestandan hos 1-D WO3 har dopningen av metalljoner och införandet av ytaktiva ämnen bekräftats vara effektiva strategier för att förbättra redoxreaktionen och orienteringen av speciella strukturer. Atomplatin (Pt) anses vara ett effektivt dopningselement som kan optimera avkänningsegenskaperna och denna strategi kan förklaras av spillover-effekten av syrearter och förbättringen av adsorption och desorption (Park et al., 2012).

2-dimensionell (2-D) WO3

jämfört med lågdimensionella strukturer har 2-D-strukturer en större speciell yta för målgasmolekylerna och därför högre gasresponser (Dral och ten Elshof, 2018). I jämförelse till bulk 3-D strukturerar, fristående 2-D strukturerar liksom nanosheets, nanoplates och tunt filmar kan ge bättre optimeringsvägar inklusive moduleringen av materialaktiviteten, ytpolarisationen och rika syrevakanser. Dessutom har den hierarkiska mikrostrukturen monterad av styva 2-D nanosheets en öppen och väldefinierad struktur som kan främja diffusionen av målgasmolekyler (Nasir och Pumera, 2019). Speciellt inom området för detektering av felkarakteristiska gaser i oljedämpade transformatorer har 2-D WO3-baserade sensorer bekräftats vara lovande kandidater med utmärkta gasavkänningsprestanda. Huang et al. (2020) syntetiserade ru-laddade WO3 nanosheets via en enkel impregneringsmetod och de trodde att den högre aktiviteten hos ytgitteroxigener i WO3 nanosheets aktiverades genom införandet av Ru. Ou et al. (2012) fabricerade H2-sensorer baserade på WO3-nanoplater vid olika kalcineringstemperaturer och bevisade att 2-D-strukturen har ett högre förhållande mellan yta och volym vilket tydligt ökade antalet interaktiva ytor som kunde interagera med H2-molekyler.

3-dimensionell (3-D) WO3

hierarkiska 3-D strukturer är alltid sammansatta från olika lägre dimension grundläggande block sådana nanopartiklar, nanorods och nanosheets. Dessa olika monteringsvägar gör att de hierarkiska mikrostrukturerna presenterar olika speciella morfologier, till exempel mikrosfärer, mikroblommor, mesoporösa strukturer och andra oregelbundna strukturer. De väldefinierade strukturerna har alltid en större speciell yta och mer unika mikrostrukturer, vilket leder till bättre gasavkänningsprestanda inklusive högre responstider, mer framträdande selektivitet, stabilitet och repeterbarhet (Zhang et al., 2013). För att upptäcka felkarakteristiska gaser, Zhang Y. X. et al. (2019) förberedde en havsborreliknande sexkantig WO3-struktur skapad av kapningseffekten av kaliumsulfat (vilket kan leda till den anisotropa tillväxten av WO3) och H2-avkänningsprestanda bekräftades att dra nytta av den speciella hierarkiska 3D-mikrostrukturen. Wei et al. (2017) syntetiserad ihålig blomkålliknande WO3 genom en lätt hydrotermisk process och fann att det högre och snabbare svaret på CO kan dra nytta av den ihåliga porösa mikrostrukturen.

Gasavkänningsegenskaper och mekanism

för att förbättra prestanda för detektering av felkarakteristiska gaser i oljedämpade transformatorer har WO3-baserade sensorer med olika hierarkiska strukturer bekräftats vara lovande kandidater för on-line övervakning av oljedämpade krafttransformatorer på grund av deras utmärkta gasavkänningsegenskaper. I det här avsnittet sammanfattar vi relaterade verk baserat på de nyligen publicerade undersökningarna (Tabell 1) och föreslår en trolig gasavkänningsmekanism.

gasavkänningsmekanismen hos de WO3-baserade sensorerna kan demonstreras som förändringen i sensorresistens orsakad av redoxreaktionen mellan syrearterna (huvudsakligen O−) och testgasmolekyler på ytan av syntetiserade material, som visas i Figur 1D. För typiska N-typ WO3-baserade avkänningsmaterial kommer syremolekylerna i testmiljön att reduceras och adsorberas på ytan av materialen genom att fånga elektronerna från ledningsbandet, och målgasmolekylerna kommer att reagera med syrejonerna och släppa elektronerna tillbaka till ledningsbandet. De involverade reaktionerna kan beskrivas enligt följande (H2 och CO-gas tas som exempel):

slutsats

i denna mini-recension fokuserar vi på syntesstrategier, morfologikontroll, sensing experimentella procedurer och gasavkänningsföreställningar av hierarkiska WO3-strukturer från 0-d till 3-D. Gasavkänningsegenskaperna hos olika högpresterande WO3 – baserade sensorer sammanfattas och diskuteras, särskilt när det gäller detektering av felkarakteristiska gaser upplösta i transformatorolja. Med ett ökande krav på högkvalitativa gassensorer med höga svar, framträdande selektivitet, enastående stabilitet och utmärkt repeterbarhet har betydande ansträngningar gjorts för att föreslå effektivare syntesvägar, mer fördelaktig morfologikontroll och mer exakta experimentprocesser. Det kan förutses att fler och fler hierarkiska WO3-strukturer kommer att utformas och förberedas rationellt på grund av deras komplicerade mikrostrukturer med höga speciella ytor, brett internt kontaktområde och väldefinierade strukturer. Dessa speciella hierarkiska strukturer kommer att ge mer diffusionsvägar, reaktiva platser och mikroreaktionsutrymmen för målgasmolekyler adsorption, retention och reaktion. Även om vissa prestationer har gjorts av oupphörliga ansträngningar, är den ytterligare förbättringen av GASAVKÄNNINGSEGENSKAPERNA hos WO3-baserade sensorer för praktiska tillämpningar fortfarande ett utmanande men meningsfullt arbete. Vi hoppas att vårt arbete kan bidra med en viss fördelaktig vägledning till utforskningen av ytmorfologin och speciella hierarkiska strukturer i WO3. Dessutom bör mycket ansträngning göras för att tillverka högpresterande WO3 – baserade sensorer med förutsägbart komplicerade hierarkiska strukturer för att detektera olika gaser, särskilt de felkarakteristiska gaserna upplösta i transformatorolja.

Författarbidrag

alla listade författare har gjort ett betydande, direkt och intellektuellt bidrag till verket och godkänt det för publicering.

finansiering

detta arbete har delvis stödts av National Natural Science Foundation of China (nr 51507144), Grundforskningsfonder för de centrala universiteten (nr. XDJK2019B021), Chongqing Science and Technology Commission (CSTC) (nr. cstc2016jcyjA0400) och projektet från China Scholarship Council (CSC).

intressekonflikt

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.