El oxígeno juega un papel clave en varios procesos industriales, incluida la combustión y la conversión de energía, que están involucrados en campos importantes como las pilas de combustible, los motores de automóviles y las turbinas de gas. Por lo tanto, una medición precisa y en tiempo real de la concentración de oxígeno es crucial para el funcionamiento perfecto de estas industrias.

Desafortunadamente, las tecnologías de medición de la concentración de oxígeno existentes se basan en mediciones de contacto con sondas, que no pueden soportar entornos de alta temperatura. Además, a pesar de la disponibilidad de algunas tecnologías ópticas de medición de temperatura, los materiales organometálicos que utilizan se degradan a temperaturas superiores a 120 °C.

Para abordar este problema, un equipo de investigadores dirigido por el Prof. Kyung Chun Kim de la Universidad Nacional de Pusan, Corea, desarrolló y probó una técnica sin contacto para medir la concentración de oxígeno a altas temperaturas. En su estudio, que estuvo disponible en línea el 19 de abril de 2022 y publicado en Sensors and Actuators B:Chemical , el equipo describió cómo se puede aprovechar el resplandor de un material fosforescente, o "fosforescencia", para medir la concentración de oxígeno.

El material en cuestión era óxido de itrio dopado con europio (Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} )—un fósforo, es decir, un material que emite luz en respuesta a la radiación—que tiene una estructura cristalina altamente resistente a la temperatura. Como otros fósforos, Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} absorbe la energía de la luz y la vuelve a emitir a una frecuencia más baja. Sin embargo, debido a su arreglo molecular único con vacantes de oxígeno, su fosforescencia varía dependiendo del oxígeno circundante. Esta alta sensibilidad al oxígeno hace que Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} una sonda luminiscente sin contacto adecuada.

Para investigar más a fondo esta propiedad, el equipo instaló un horno bidimensional (2D) de temperatura y concentración de oxígeno ajustables con una ventana de cuarzo (una ventana que permite que la luz pase libremente en ambas direcciones) y lo usó para brillar con luz ultravioleta (UV). Luz LED hacia un Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} tableta. Al medir la fosforescencia resultante con un espectrómetro, el equipo descubrió que era más sensible a la concentración de oxígeno a una temperatura superior a 450 °C para una longitud de onda de 612 nm. Más allá de 450°C, la sensibilidad de Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} a la concentración de oxígeno aumentó con el aumento de la temperatura, pero disminuyó con un aumento en la concentración de oxígeno.

Es importante destacar que también observaron dos propiedades de Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} fosforescencia que podría usarse para medir la concentración de oxígeno a 550 °C:su intensidad y tiempo de vida, es decir, el tiempo que tarda Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} para dejar de emitir luz. Aunque las mediciones con este último fueron un poco más precisas, estos hallazgos demostraron la aplicabilidad general del uso de la fosforescencia de Y₂ O₃ :Eu ³ a altas temperaturas.

Al analizar estos hallazgos, el Dr. Kim afirma que su "estudio es el primero en desarrollar un método 2D simple, sin contacto, que puede proporcionar soporte técnico para la mejora del rendimiento de muchos productos industriales a altas temperaturas".

¿Cuáles son las implicaciones de estos hallazgos? El profesor Kim comenta además que "este método puede mejorar la investigación de mecanismos básicos y las aplicaciones de producción industrial, lo que nos ayudaría a comprender los fenómenos termofísicos desconocidos en la vida diaria y la ingeniería". + Explora más

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