Zuurstof speelt een sleutelrol in verschillende industriële processen, waaronder verbranding en energieconversie, die een rol spelen op belangrijke gebieden zoals brandstofcellen, automotoren en gasturbines. Een realtime, nauwkeurige meting van de zuurstofconcentratie is dus cruciaal voor het naadloos functioneren van deze industrieën.

Helaas zijn bestaande meettechnologieën voor zuurstofconcentraties afhankelijk van contactmetingen met sondes, die niet bestand zijn tegen omgevingen met hoge temperaturen. Bovendien, ondanks de beschikbaarheid van enkele optische temperatuurmeettechnologieën, degraderen de organometallische materialen die ze gebruiken bij temperaturen boven 120 °C.

Om dit probleem aan te pakken, heeft een team van onderzoekers onder leiding van prof. Kyung Chun Kim van de Pusan ​​National University, Korea, een contactloze techniek ontwikkeld en getest om de zuurstofconcentratie bij hoge temperaturen te meten. In hun onderzoek, dat op 19 april 2022 online beschikbaar werd gesteld en gepubliceerd in Sensors and Actuators B:Chemical , beschreef het team hoe de gloed van een fosforescerend materiaal, of "fosforescentie", kan worden gebruikt om de zuurstofconcentratie te meten.

Het materiaal in kwestie was yttriumoxide gedoteerd met europium (Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} ) - een fosfor, d.w.z. een materiaal dat licht uitstraalt als reactie op straling - dat een zeer temperatuurbestendige kristallijne structuur heeft. Net als andere fosforen, Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} absorbeert lichtenergie en zendt het opnieuw uit met een lagere frequentie. Vanwege de unieke moleculaire rangschikking met zuurstofvacatures, varieert de fosforescentie echter afhankelijk van de omringende zuurstof. Deze hoge gevoeligheid voor zuurstof maakt Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} een geschikte contactloze luminescerende sonde.

Om deze eigenschap verder te onderzoeken, heeft het team een ​​tweedimensionale (2D) temperatuur- en zuurstofconcentratie-instelbare oven opgezet met een kwartsvenster (een venster dat het licht vrijelijk in beide richtingen doorlaat) en gebruikte het om een ​​ultraviolet (UV) te laten schijnen. LED-licht naar een Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} tablet. Bij het meten van de resulterende fosforescentie met behulp van een spectrometer, ontdekte het team dat deze het meest gevoelig was voor de zuurstofconcentratie bij een temperatuur boven 450°C voor een golflengte van 612 nm. Boven 450°C, de gevoeligheid van Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} de zuurstofconcentratie nam toe met toenemende temperatuur, maar nam af met een toename van de zuurstofconcentratie.

Belangrijk is dat ze ook twee eigenschappen van Y₂ . hebben waargenomen O₃ :Eu ^{3 +} fosforescentie die zou kunnen worden gebruikt om de zuurstofconcentratie bij 550 ° C te meten:de intensiteit en levensduur, d.w.z. de tijd die nodig is voor Y₂ O₃ :Eu ^{3 +} om te stoppen met het uitstralen van licht. Hoewel metingen met de laatste iets nauwkeuriger waren, toonden deze bevindingen de algehele toepasbaarheid aan van het gebruik van de fosforescentie van Y₂ O₃ :Eu ³ bij hoge temperaturen.

Dr. Kim bespreekt deze bevindingen en stelt dat hun "studie de eerste is die een eenvoudige, contactloze 2D-methode heeft ontwikkeld die technische ondersteuning kan bieden voor de prestatieverbetering van veel industriële producten bij hoge temperaturen."

Wat zijn de implicaties van deze bevindingen? Prof. Kim merkt verder op dat "deze methode het onderzoek naar basismechanismen en industriële productietoepassingen kan verbeteren, wat ons zou helpen onbekende thermofysische verschijnselen in het dagelijks leven en de techniek te begrijpen." + Verder verkennen

Mechanisme van zuurstofactivering op bariumhoudende perovskietmaterialen