La caracterización de la superficie es importante para determinar cómo interactúan los materiales con su entorno. Los investigadores confían en su comprensión de cómo se comportan las superficies para mejorar el rendimiento de los materiales que se incorporan a los sensores. El Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del DOE está desarrollando sensores ópticos de gas, capaz de operar en entornos hostiles, que se puede utilizar para monitorear y controlar procesos críticos en una variedad de sistemas de energía, incluida la gasificación del carbón, pilas de combustible de óxido sólido, turbinas de gas, y combustión de oxicombustible. Por ejemplo, El uso de sensores ópticos de gas para monitorear y ajustar el entorno del gas durante la combustión o gasificación del carbón puede permitir una utilización más eficiente del carbón y una mayor eficiencia de la central eléctrica.

Usando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), una técnica utilizada para examinar la química de la superficie de un material sólido, los investigadores de NETL han comenzado a comprender los principios operativos y los mecanismos de detección detrás de los prometedores materiales de película delgada nanocompuestos.

XPS proporciona información sobre la composición elemental de la superficie, así como los estados químicos y electrónicos de los elementos. Los elementos dentro de los 3-5 nanómetros superiores de la superficie de un material emiten electrones característicos cuando son excitados por un haz de rayos X. El número de electrones que tienen energías específicas se puede representar para obtener espectros que permitan determinar la relación entre las propiedades electrónicas y la composición de la superficie de las películas delgadas. Comprender esto permite a los investigadores ajustar la composición para mejorar las propiedades electrónicas y, por lo tanto, el rendimiento de las películas de detección.

Usando esta técnica, Los investigadores de NETL obtuvieron información sobre el mecanismo de detección asociado con las películas de nanocompuestos de circonio estabilizado con itria (YSZ) que contienen nanopartículas de metales nobles. Las películas delgadas de YSZ que contienen oro demostraron un mecanismo de detección que implica la transferencia de electrones de un lado a otro entre las nanopartículas de oro y YSZ en respuesta a variables experimentales. incluyendo altas temperaturas y exposición a gases oxidantes y reductores.

Los efectos de los cambios en la densidad electrónica del oro se pueden medir como parte del proceso de detección de gas. Al comprender qué es responsable de tales cambios, Se pueden explotar diferentes metales nobles y configuraciones para diseñar nuevos y mejores materiales de superficie para su uso en sensores ópticos de gas.

Según el químico investigador de NETL John Baltrus, "Comprender cómo se comportan los materiales en condiciones de funcionamiento adversas es esencial para desarrollar materiales con mejores características de rendimiento. Los resultados de nuestro trabajo se pueden utilizar para diseñar nuevas químicas de superficie que conduzcan a una mayor durabilidad, resistente a la corrosión, y sensores de gas ópticos sensibles ".