Forskning belyser sensormaterialeadfærd i barske miljøer

Overfladekarakterisering er vigtig for at bestemme, hvordan materialer interagerer med deres miljø. Forskere stoler på deres forståelse af, hvordan overflader opfører sig for at forbedre ydeevnen af ​​materialer, der inkorporeres i sensorer. DOE's National Energy Technology Laboratory udvikler optiske gassensorer, i stand til at fungere i barske miljøer, som kan bruges til at overvåge og kontrollere kritiske processer i en række energisystemer, herunder kulgasning, brændselsceller i fast oxid, gasturbiner, og forbrænding af oxy-brændstof. For eksempel, ved hjælp af optiske gassensorer til at overvåge og justere gasmiljøet under kulforbrænding eller forgasning kan muliggøre mere effektiv kuludnyttelse og forbedret kraftværks effektivitet.

Ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)-en teknik, der bruges til at undersøge overfladekemien i et fast materiale-er NETL-forskere begyndt at forstå driftsprincipperne og sansemekanismerne bag lovende nanokomposit tynde filmmaterialer.

XPS giver oplysninger om overfladeelementkomposition samt elementernes kemiske og elektroniske tilstande. Elementer inden for de øverste 3-5 nanometer af overfladen af ​​et materiale udsender karakteristiske elektroner, når de exciteres af en røntgenstråle. Antallet af elektroner med specifikke energier kan afbildes for at give spektre, der tillader bestemmelse af forholdet mellem elektroniske egenskaber og overfladesammensætning af tynde film. At forstå dette giver forskere mulighed for at justere sammensætningen for at forbedre de elektroniske egenskaber og dermed sensorernes filmes ydeevne.

Ved hjælp af denne teknik, NETL-forskere fik indsigt i sansemekanismen, der er forbundet med yttria-stabiliserede zirconia (YSZ) nanokompositfilm, der indeholder ædelmetal-nanopartikler. Guldholdige YSZ tynde film demonstrerede en sansemekanisme, der involverer overførsel af elektroner frem og tilbage mellem guldnanopartiklerne og YSZ som reaktion på eksperimentelle variabler, herunder høje temperaturer og udsættelse for oxiderende og reducerende gasser.

Virkningerne af ændringer i elektronens tæthed af guld kan måles som en del af gasfølerprocessen. Ved at forstå, hvad der er ansvarligt for sådanne ændringer, forskellige ædelmetaller og konfigurationer kan udnyttes til at konstruere nye og bedre overfladematerialer til brug i optiske gassensorer.

Ifølge NETL Research Chemist John Baltrus, "At forstå, hvordan materialer opfører sig under barske driftsforhold, er afgørende for at udvikle materialer med bedre ydeevneegenskaber. Resultaterne af vores arbejde kan bruges til at konstruere nye overfladekemikalier, der fører til mere holdbare, rustfri, og følsomme optiske gassensorer. "