O oxigênio desempenha um papel fundamental em vários processos industriais, incluindo combustão e conversão de energia, que estão envolvidos em campos importantes, como células de combustível, motores automotivos e turbinas a gás. Assim, uma medição precisa e em tempo real da concentração de oxigênio é crucial para o funcionamento perfeito dessas indústrias.
Infelizmente, as tecnologias de medição de concentração de oxigênio existentes dependem de medições de contato usando sondas, que não podem suportar ambientes de alta temperatura. Além disso, apesar da disponibilidade de algumas tecnologias de medição óptica de temperatura, os materiais organometálicos que eles utilizam se degradam em temperaturas acima de 120°C.

Para resolver este problema, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Prof. Kyung Chun Kim da Pusan ​​National University, Coréia, desenvolveu e testou uma técnica sem contato para medir a concentração de oxigênio sob altas temperaturas. Em seu estudo, que foi disponibilizado on-line em 19 de abril de 2022 e publicado em Sensors and Actuators B:Chemical , a equipe descreveu como o brilho de um material fosforescente, ou "fosforescência", pode ser aproveitado para medir a concentração de oxigênio.

O material em questão era óxido de ítrio dopado com európio (Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} ) - um fósforo, ou seja, um material que emite luz em resposta à radiação - que possui uma estrutura cristalina altamente resistente à temperatura. Como outros fósforos, Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} absorve a energia luminosa e a reemite em uma frequência mais baixa. No entanto, devido ao seu arranjo molecular único com vacâncias de oxigênio, sua fosforescência varia dependendo do oxigênio circundante. Essa alta sensibilidade ao oxigênio torna Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} uma sonda luminescente sem contato adequada.

Para investigar ainda mais essa propriedade, a equipe montou um forno bidimensional (2D) ajustável de temperatura e concentração de oxigênio com uma janela de quartzo (uma janela que permite que a luz passe livremente em ambas as direções) e a usou para brilhar uma luz ultraviolenta (UV) Luz LED em direção a um Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} tábua. Ao medir a fosforescência resultante usando um espectrômetro, a equipe descobriu que era mais sensível à concentração de oxigênio a uma temperatura acima de 450°C para um comprimento de onda de 612 nm. Acima de 450°C, a sensibilidade de Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} a concentração de oxigênio aumentou com o aumento da temperatura, mas diminuiu com o aumento da concentração de oxigênio.

Importante, eles também observaram duas propriedades de Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} fosforescência que pode ser usada para medir a concentração de oxigênio a 550°C:sua intensidade e vida útil, ou seja, o tempo que leva para Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} parar de emitir luz. Embora as medições usando o último tenham sido um pouco mais precisas, essas descobertas demonstraram a aplicabilidade geral do uso da fosforescência de Y₂ O₃ :Eu ³ em altas temperaturas.

Discutindo essas descobertas, o Dr. Kim afirma que seu "estudo é o primeiro a desenvolver um método 2D simples, sem contato, que pode fornecer suporte técnico para a melhoria do desempenho de muitos produtos industriais em altas temperaturas".

Quais são as implicações dessas descobertas? O Prof. Kim observa ainda que "este método pode melhorar a pesquisa de mecanismos básicos e aplicações de produção industrial, o que nos ajudaria a entender fenômenos termofísicos desconhecidos na vida cotidiana e na engenharia". + Explorar mais

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