Oppervlaktekarakterisering is belangrijk om te bepalen hoe materialen omgaan met hun omgeving. Onderzoekers vertrouwen op hun begrip van hoe oppervlakken zich gedragen om de prestaties van materialen die in sensoren worden verwerkt, te verbeteren. DOE's National Energy Technology Laboratory ontwikkelt optische gassensoren, in staat om in ruwe omgevingen te werken, die kan worden gebruikt voor het bewaken en regelen van kritieke processen in een verscheidenheid aan energiesystemen, waaronder kolenvergassing, vaste oxide brandstofcellen, gasturbines, en autogeenverbranding. Bijvoorbeeld, het gebruik van optische gassensoren om de gasomgeving tijdens de verbranding of vergassing van kolen te bewaken en aan te passen, kan een efficiënter gebruik van kolen en een verbeterde efficiëntie van de energiecentrale mogelijk maken.

Met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) - een techniek die wordt gebruikt om de oppervlaktechemie van een vast materiaal te onderzoeken - zijn NETL-onderzoekers begonnen de werkingsprincipes en detectiemechanismen achter veelbelovende nanocomposiet dunne filmmaterialen te begrijpen.

XPS geeft informatie over de samenstelling van de oppervlakte-elementen en over de chemische en elektronische toestanden van de elementen. Elementen binnen de bovenste 3-5 nanometer van het oppervlak van een materiaal zenden karakteristieke elektronen uit wanneer ze worden geëxciteerd door een röntgenstraal. Het aantal elektronen met specifieke energieën kan worden uitgezet om spectra op te leveren die het mogelijk maken de relatie tussen elektronische eigenschappen en oppervlaktesamenstelling van dunne films te bepalen. Door dit te begrijpen, kunnen onderzoekers de compositie aanpassen om de elektronische eigenschappen en dus de prestaties van de detectiefilms te verbeteren.

Met behulp van deze techniek, NETL-onderzoekers hebben inzicht gekregen in het detectiemechanisme dat is geassocieerd met yttria-gestabiliseerde zirkoniumoxide (YSZ) nanocomposietfilms die nanodeeltjes van edelmetaal bevatten. Goudbevattende dunne YSZ-films toonden een detectiemechanisme aan waarbij elektronen heen en weer worden overgedragen tussen de gouden nanodeeltjes en YSZ als reactie op experimentele variabelen, inclusief hoge temperaturen en blootstelling aan oxiderende en reducerende gassen.

De effecten van veranderingen in de elektronendichtheid van goud kunnen worden gemeten als onderdeel van het gasdetectieproces. Door te begrijpen wat verantwoordelijk is voor dergelijke veranderingen, verschillende edele metalen en configuraties kunnen worden benut om nieuwe en betere oppervlaktematerialen te ontwikkelen voor gebruik in optische gassensoren.

Volgens NETL Research Chemist John Baltrus, "Begrijpen hoe materialen zich gedragen onder zware bedrijfsomstandigheden is essentieel voor het ontwikkelen van materialen met betere prestatiekenmerken. De resultaten van ons werk kunnen worden gebruikt om nieuwe oppervlaktechemie te ontwikkelen die leidt tot duurzamere, Roestvrij, en gevoelige optische gassensoren."