Forskare från Pusan National University har utvecklat en kontaktlös metod för att noggrant mäta syrekoncentrationen vid höga temperaturer genom att använda fosforescensen av europiumdopad yttriumoxid (Y2 O3 :Eu 3+ ), som är känslig för syrekoncentrationen. Kredit:Prof. Kyung Chun Kim från Pusan National University, Korea
Syre spelar en nyckelroll i olika industriella processer, inklusive förbränning och energiomvandling, som är involverade i viktiga områden som bränsleceller, bilmotorer och gasturbiner. Därför är en exakt mätning av syrekoncentrationen i realtid avgörande för att dessa industrier ska fungera smidigt.
Tyvärr är befintliga tekniker för mätning av syrekoncentration beroende av kontaktmätningar med hjälp av sonder, som inte tål högtemperaturmiljöer. Dessutom, trots tillgången på ett fåtal optisk temperaturmätningsteknik, bryts de organometalliska materialen de använder ned vid temperaturer över 120 °C.
För att lösa detta problem utvecklade och testade ett team av forskare under ledning av Prof. Kyung Chun Kim från Pusan National University, Korea, en beröringsfri teknik för att mäta syrekoncentrationen under höga temperaturer. I deras studie, som gjordes tillgänglig online den 19 april 2022 och publicerades i Sensors and Actuators B:Chemical , beskrev teamet hur ett fosforescerande materials glöd, eller "fosforescens", kan utnyttjas för att mäta syrekoncentrationen.
Materialet i fråga var yttriumoxid dopat med europium (Y2). O3 :Eu 3 + )—en fosfor, d.v.s. ett material som avger ljus som svar på strålning—som har en mycket temperaturbeständig kristallin struktur. Liksom andra fosforer, Y2 O3 :Eu 3 + absorberar ljusenergi och återutsänder den med en lägre frekvens. Men på grund av dess unika molekylära arrangemang med syrevakanser varierar dess fosforescens beroende på det omgivande syret. Denna höga känslighet för syre gör Y2 O3 :Eu 3 + en lämplig beröringsfri självlysande sond.
För att undersöka denna egenskap ytterligare, satte teamet upp en tvådimensionell (2D) temperatur och syrekoncentration justerbar ugn med ett kvartsfönster (ett fönster som låter ljus passera fritt i båda riktningarna) och använde det för att lysa en ultraviolent (UV) LED-ljus mot en Y2 O3 :Eu 3 + läsplatta. Vid mätning av den resulterande fosforescensen med en spektrometer fann teamet att det var mest känsligt för syrekoncentrationen vid en temperatur över 450°C för en våglängd på 612 nm. Över 450°C, känsligheten för Y2 O3 :Eu 3 + till syrekoncentrationen ökade med ökande temperatur men minskade med en ökning av syrekoncentrationen.
Viktigt är att de också observerade två egenskaper hos Y2 O3 :Eu 3 + fosforescens som skulle kunna användas för att mäta syrekoncentrationen vid 550°C:dess intensitet och livslängd, dvs. tiden det tar för Y2 O3 :Eu 3 + att sluta sända ut ljus. Även om mätningar med den senare var något mer exakta, visade dessa fynd den övergripande tillämpbarheten av att använda fosforescensen av Y2 O3 :Eu 3 vid höga temperaturer.
Dr. Kim diskuterar dessa fynd och säger att deras "studie är den första som utvecklar en enkel, beröringsfri, 2D-metod som kan ge tekniskt stöd för prestandaförbättring av många industriprodukter vid höga temperaturer."
Vilka är konsekvenserna av dessa fynd? Prof. Kim påpekar vidare att "denna metod kan förbättra grundläggande mekanismforskning och industriella produktionsapplikationer, vilket skulle hjälpa oss att förstå okända termofysiska fenomen i det dagliga livet och teknik." + Utforska vidare
