Sauerstoff spielt eine Schlüsselrolle in verschiedenen industriellen Prozessen, einschließlich Verbrennung und Energieumwandlung, die in wichtigen Bereichen wie Brennstoffzellen, Automotoren und Gasturbinen involviert sind. Daher ist eine genaue Messung der Sauerstoffkonzentration in Echtzeit für das reibungslose Funktionieren dieser Industrien von entscheidender Bedeutung.
Unglücklicherweise verlassen sich bestehende Technologien zur Messung der Sauerstoffkonzentration auf Kontaktmessungen unter Verwendung von Sonden, die Hochtemperaturumgebungen nicht standhalten können. Darüber hinaus zersetzen sich die verwendeten metallorganischen Materialien trotz der Verfügbarkeit einiger weniger optischer Temperaturmesstechnologien bei Temperaturen über 120 °C.
Um dieses Problem anzugehen, entwickelte und testete ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Kyung Chun Kim von der Pusan National University, Korea, eine berührungslose Technik zur Messung der Sauerstoffkonzentration bei hohen Temperaturen. In ihrer Studie, die am 19. April 2022 online gestellt und in veröffentlicht wurde Sensoren und Aktoren B: Chemischbeschrieb das Team, wie das Leuchten oder die „Phosphoreszenz“ eines phosphoreszierenden Materials genutzt werden kann, um die Sauerstoffkonzentration zu messen.
Das betreffende Material war mit Europium dotiertes Yttriumoxid (Y2O3:Eu3+) – ein Phosphor, dh ein Material, das als Reaktion auf Strahlung Licht emittiert – das eine hochtemperaturbeständige kristalline Struktur hat. Wie andere Leuchtstoffe absorbiert Y2O3:Eu3+ Lichtenergie und gibt sie mit einer niedrigeren Frequenz wieder ab. Aufgrund seiner einzigartigen molekularen Anordnung mit Sauerstoffleerstellen variiert seine Phosphoreszenz jedoch in Abhängigkeit vom umgebenden Sauerstoff. Diese hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff macht Y2O3:Eu3+ zu einer geeigneten berührungslosen lumineszierenden Sonde.
Um diese Eigenschaft weiter zu untersuchen, richtete das Team einen zweidimensionalen (2D) Ofen mit einstellbarer Temperatur und Sauerstoffkonzentration mit einem Quarzfenster (einem Fenster, das Licht in beide Richtungen frei passieren lässt) ein und benutzte ihn, um ein ultraviolettes (UV) LED-Licht für ein Y2O3:Eu3+ Tablet. Bei der Messung der resultierenden Phosphoreszenz mit einem Spektrometer stellte das Team fest, dass sie am empfindlichsten auf die Sauerstoffkonzentration bei einer Temperatur von über 450 °C bei einer Wellenlänge von 612 nm reagierte. Oberhalb von 450 °C nahm die Empfindlichkeit von Y2O3:Eu3+ gegenüber der Sauerstoffkonzentration mit steigender Temperatur zu, nahm jedoch mit steigender Sauerstoffkonzentration ab.
Wichtig ist, dass sie auch zwei Eigenschaften der Y2O3:Eu3+-Phosphoreszenz beobachteten, die verwendet werden könnten, um die Sauerstoffkonzentration bei 550 °C zu messen: ihre Intensität und Lebensdauer, dh die Zeit, die Y2O3:Eu3+ benötigt, um aufzuhören, Licht zu emittieren. Obwohl Messungen unter Verwendung des letzteren etwas genauer waren, zeigten diese Ergebnisse die allgemeine Anwendbarkeit der Verwendung der Phosphoreszenz von Y2O3:Eu3 bei hohen Temperaturen.
Zur Diskussion dieser Ergebnisse erklärt Dr. Kim, dass ihre „Studie die erste ist, die eine einfache, berührungslose 2D-Methode entwickelt, die technische Unterstützung für die Leistungsverbesserung vieler Industrieprodukte bei hohen Temperaturen bieten kann“.
Was sind die Auswirkungen dieser Erkenntnisse? Prof. Kim bemerkt weiter, dass „diese Methode die Erforschung grundlegender Mechanismen und industrielle Produktionsanwendungen verbessern kann, was uns helfen würde, unbekannte thermophysikalische Phänomene im täglichen Leben und in der Technik zu verstehen.“
Tao Cai et al, Zweidimensionale Visualisierung des Sauerstoffkonzentrationsfeldes in einer Hochtemperaturumgebung unter Verwendung des Phosphors Y2O3:Eu3+, Sensoren und Aktoren B: Chemisch (2022). DOI: 10.1016/j.snb.2022.131884
Zur Verfügung gestellt von der Pusan National University