摘要：第一作者：Sihyeok Kim通讯作者：Il Jeon，Keekeun Lee通讯单位：成均馆大学，韩国亚洲大学DOI: 10.1002/adma.202410179
第一作者：Sihyeok Kim
通讯作者：Il Jeon，Keekeun Lee
通讯单位：成均馆大学，韩国亚洲大学
DOI: 10.1002/adma.202410179
设计用于流体介质内原位操作的化学传感器在各种应用中都是不可或缺的。它们是监测水污染物不可或缺的一部分，特别是在生物医学分析中，对于识别变压器油中的气体不规则性至关重要。这些传感器在流体环境中的操作比在气体环境中使用的化学传感器面临的挑战要复杂得多。流体中传感器的显著障碍包括其性能下降，这可归因于氧气水平受限和背景矩阵的复杂性。此外，这些传感器必须能够承受温度波动、压力变化和恒定对流的不利影响。尽管存在这些挑战，但现场流体监测，特别是用于识别变压器油中的气体故障指示器，对于预防潜在设备故障的先发制人检测至关重要。
变压器是促进电路之间电磁感应的重要电气设备，如果故障未被发现，可能会突然发生故障，导致灾难性的后果。这些故障通常会导致碳氢键断裂产生氢气（H24）等气体。这些可能是由各种问题引起的，包括长时间运行、局部油加热、放电、冷却不足或机械损坏。检测油中溶解气体的传统方法，如气相色谱法、光声（PA）光谱法和量热光谱法，涉及复杂、昂贵和耗时的油取样、气体提取和离线气体检测过程。气相色谱法和PA分析包括三个步骤：i）油样采集，ii）从油中提取气体，iii）离线气体检测。显然，这些方法复杂、昂贵且耗时，对早期变压器故障的及时诊断提出了挑战。此外，这些方法需要定期维护、重新校准和熟练的工程师。作为回应，现场监测技术正受到越来越多的关注。例如，已经提出了通过Pd的体积膨胀引起的电导率变化来检测H2气体的基于Pd的传感器。然而，这些传感器仅限于检测H2，无法检测大型碳氢化合物。基于金属氧化物半导体的传感器，如氧化锌（ZnO）、二氧化锡（SnO23）和氧化镍（NiO），可以检测碳氢化合物气体。然而，它们需要超过200°C的工作温度，并且表现出较差的灵敏度，因为大多数流体（如油）的含氧量低于2%。氧气水平对于基于金属氧化物半导体的传感器的恢复性、可重复性、稳定性和灵敏度至关重要。因此，必须开发在低温下工作的具有高检测率、选择性和再现性的原位流体监测化学传感器。本文亮点
1. 本工作提出了一种能够现场监测变压器油的乙炔气体传感器。该传感器利用悬浮催化剂化学气相沉积合成的聚酰亚胺（PI）中嵌入的碳纳米管（CNT）。与针对溶解在油中的碳氢化合物气体并测量从油中提取的气体的传统传感器不同，所提出的CNT-PI传感器实时检测油中的气体。
2. 该传感器实现了高响应（在30 ppm时为10.5%）和快速响应/恢复时间（28秒/77秒）。并且，该传感器在油介质中表现出良好的响应（在30 ppm时为10.4%）和适中的响应/恢复速度（444秒/670秒），符合工业应用的要求。
3. 基于CNT PI的加热器作为多层组件集成到传感器中，保持90°C的最佳工作温度。CNT-PI传感器即使在10000次弯曲循环后也表现出一致的气体传感性能，并表现出卓越的特性，表明其与各种形式的变压器兼容。
图文解析
图2. a） FCCVD-CNT薄膜密度变化的气体响应。b） 灵敏度和线性范围为1-30 ppm。c） 不同CNT密度下5 ppm的气体响应。d） 不同Au NP厚度下的气体响应。e） 在0.5和1 ppm下有和没有Au NP装饰的响应比较。f） 90°C下有和没有Au NP的CNT传感器的选择性比较。g） 空气和氮气流下气体响应特性的比较。气体传感机制h）在富氧环境（21%）中，i）在缺氧环境（2%）中。
图3. a） 在1-100 ppm范围内的不同温度下的气体响应特性。b） 在30 ppm下不同工作温度下的响应和恢复时间c）不同相对湿度值下的气体响应。d） 灵敏度和线性范围为1-30 ppm。传感器在e）30 ppm和f）1 ppm下的循环响应。g） 不同气体浓度下60天的长期稳定性。h） 不同弯曲半径下传感器响应的比较。
图5. a） CNT-PI加热器与HD样品在不同偏压下的温度-时间图。b） CNT-PI加热器在不同偏压下相对于CNT膜透明度的稳态温度。c） 随时间变化的温度曲线和20次开/关循环电压下的稳态温度。d） 滞后曲线在30至90°C之间。e） CNT-PI加热器的长期稳定性超过5小时。f） 基于10.5 V偏压下弯曲距离的热成像相机表面温度分析。g） CNT-PI加热器在10000次弯曲循环期间的温度。
来源：华算科技
