La caractérisation de surface est importante pour déterminer comment les matériaux interagissent avec leur environnement. Les chercheurs s'appuient sur leur compréhension du comportement des surfaces pour améliorer les performances des matériaux incorporés dans les capteurs. Le Laboratoire national de technologie énergétique du DOE développe des capteurs de gaz optiques, capable de fonctionner dans des environnements difficiles, qui peut être utilisé pour surveiller et contrôler les processus critiques dans une variété de systèmes énergétiques, y compris la gazéification du charbon, piles à combustible à oxyde solide, turbines à gaz, et l'oxycombustion. Par exemple, l'utilisation de capteurs optiques de gaz pour surveiller et ajuster l'environnement gazeux pendant la combustion ou la gazéification du charbon peut permettre une utilisation plus efficace du charbon et une efficacité améliorée des centrales électriques.

À l'aide de la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), une technique utilisée pour examiner la chimie de surface d'un matériau solide, les chercheurs de NETL ont commencé à comprendre les principes de fonctionnement et les mécanismes de détection derrière les matériaux nanocomposites à couche mince prometteurs.

XPS fournit des informations sur la composition élémentaire de la surface ainsi que sur les états chimiques et électroniques des éléments. Les éléments situés dans les 3 à 5 premiers nanomètres de la surface d'un matériau émettent des électrons caractéristiques lorsqu'ils sont excités par un faisceau de rayons X. Le nombre d'électrons ayant des énergies spécifiques peut être tracé pour produire des spectres qui permettent de déterminer la relation entre les propriétés électroniques et la composition de surface des films minces. Comprendre cela permet aux chercheurs d'ajuster la composition pour améliorer les propriétés électroniques et donc les performances des films de détection.

En utilisant cette technique, Les chercheurs de NETL ont mieux compris le mécanisme de détection associé aux films nanocomposites de zircone stabilisée à l'yttria (YSZ) contenant des nanoparticules de métaux nobles. Les films minces YSZ contenant de l'or ont démontré un mécanisme de détection impliquant le transfert d'électrons entre les nanoparticules d'or et YSZ en réponse à des variables expérimentales, y compris les températures élevées et l'exposition aux gaz oxydants et réducteurs.

Les effets des changements de densité électronique de l'or peuvent être mesurés dans le cadre du processus de détection de gaz. En comprenant ce qui est responsable de tels changements, différents métaux nobles et configurations peuvent être exploités pour concevoir de nouveaux et meilleurs matériaux de surface à utiliser dans les capteurs optiques de gaz.

Selon le chimiste de recherche NETL John Baltrus, « Comprendre le comportement des matériaux dans des conditions de fonctionnement difficiles est essentiel pour développer des matériaux avec de meilleures caractéristiques de performance. Les résultats de notre travail peuvent être utilisés pour concevoir de nouvelles chimies de surface conduisant à des produits plus durables, résistant à la corrosion, et des capteurs de gaz optiques sensibles.