p A caracterização da superfície é importante para determinar como os materiais interagem com seu ambiente. Os pesquisadores confiam na compreensão de como as superfícies se comportam para melhorar o desempenho dos materiais que estão sendo incorporados aos sensores. O Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia do DOE está desenvolvendo sensores ópticos de gás, capaz de operar em ambientes hostis, que pode ser usado para monitorar e controlar processos críticos em uma variedade de sistemas de energia, incluindo gaseificação de carvão, células de combustível de óxido sólido, turbinas a gás, e combustão de oxi-combustível. Por exemplo, o uso de sensores ópticos de gás para monitorar e ajustar o ambiente do gás durante a combustão ou gaseificação do carvão pode permitir uma utilização mais eficiente do carvão e melhorar a eficiência da usina. p Usando a espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) - uma técnica usada para examinar a química da superfície de um material sólido - os pesquisadores do NETL começaram a entender os princípios operacionais e os mecanismos de detecção por trás dos materiais de película fina nanocompósitos promissores.

p O XPS fornece informações sobre a composição elementar da superfície, bem como os estados químicos e eletrônicos dos elementos. Elementos dentro dos 3-5 nanômetros superiores da superfície de um material emitem elétrons característicos quando excitados por um feixe de raios-X. O número de elétrons com energias específicas pode ser plotado para produzir espectros que permitem a determinação da relação entre as propriedades eletrônicas e a composição da superfície de filmes finos. Entender isso permite que os pesquisadores ajustem a composição para melhorar as propriedades eletrônicas e, portanto, o desempenho dos filmes de detecção.

p Usando esta técnica, Os pesquisadores do NETL obtiveram conhecimento sobre o mecanismo de detecção associado aos filmes nanocompósitos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) contendo nanopartículas de metal nobre. Filmes finos YSZ contendo ouro demonstraram um mecanismo de detecção envolvendo a transferência de elétrons para frente e para trás entre as nanopartículas de ouro e YSZ em resposta a variáveis ​​experimentais, incluindo altas temperaturas e exposição a gases oxidantes e redutores.

p Os efeitos das mudanças na densidade eletrônica do ouro podem ser medidos como parte do processo de detecção de gás. Ao compreender o que é responsável por tais mudanças, diferentes metais nobres e configurações podem ser explorados para projetar novos e melhores materiais de superfície para uso em sensores ópticos de gás.

p De acordo com o químico de pesquisa do NETL John Baltrus, "Compreender como os materiais se comportam sob condições operacionais adversas é essencial para desenvolver materiais com melhores características de desempenho. Os resultados do nosso trabalho podem ser usados ​​para projetar novas químicas de superfície que resultam em mais duráveis, resistente a corrosão, e sensores ópticos de gás sensíveis. "