Ytkarakterisering är viktig för att bestämma hur material interagerar med sin miljö. Forskare litar på sin förståelse av hur ytor beter sig för att förbättra prestandan hos material som ingår i sensorer. DOE:s National Energy Technology Laboratory utvecklar optiska gassensorer, kan arbeta i tuffa miljöer, som kan användas för att övervaka och kontrollera kritiska processer i en mängd olika energisystem inklusive kolförgasning, bränsleceller med fast oxid, gasturbiner, och oxy-fuel förbränning. Till exempel, att använda optiska gassensorer för att övervaka och justera gasmiljön under kolförbränning eller förgasning kan möjliggöra effektivare kolanvändning och förbättrad kraftverkseffektivitet.

Med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) – en teknik som används för att undersöka ytkemin hos ett fast material – har NETL-forskare börjat förstå driftsprinciperna och avkänningsmekanismerna bakom lovande nanokompositmaterial i tunnfilm.

XPS ger information om ytelementens sammansättning samt grundämnenas kemiska och elektroniska tillstånd. Element inom de översta 3-5 nanometern av ytan av ett material avger karakteristiska elektroner när de exciteras av en röntgenstråle. Antalet elektroner med specifika energier kan plottas för att ge spektra som tillåter bestämning av sambandet mellan elektroniska egenskaper och ytsammansättning av tunna filmer. Genom att förstå detta kan forskare justera sammansättningen för att förbättra de elektroniska egenskaperna och därmed prestandan hos avkänningsfilmerna.

Genom att använda denna teknik, NETL-forskare fick insikt i avkänningsmekanismen förknippad med yttria-stabiliserade zirkoniumoxid (YSZ) nanokompositfilmer som innehåller nanopartiklar av ädelmetall. Guldinnehållande YSZ-tunna filmer visade en avkänningsmekanism som involverar överföring av elektroner fram och tillbaka mellan guldnanopartiklarna och YSZ som svar på experimentella variabler, inklusive höga temperaturer och exponering för oxiderande och reducerande gaser.

Effekterna av förändringar i guldets elektrondensitet kan mätas som en del av gasavkänningsprocessen. Genom att förstå vad som är ansvarigt för sådana förändringar, olika ädelmetaller och konfigurationer kan utnyttjas för att konstruera nya och bättre ytmaterial för användning i optiska gassensorer.

Enligt NETL Research Chemist John Baltrus, "Att förstå hur material beter sig under tuffa driftsförhållanden är avgörande för att utveckla material med bättre prestandaegenskaper. Resultaten av vårt arbete kan användas för att konstruera nya ytkemi som leder till mer hållbara, korrosionsbeständig, och känsliga optiska gassensorer."