L’oxygène joue un rôle clé dans divers processus industriels, y compris la combustion et la conversion d’énergie, qui sont impliqués dans des domaines importants tels que les piles à combustible, les moteurs automobiles et les turbines à gaz. Ainsi, une mesure précise et en temps réel de la concentration en oxygène est cruciale pour le fonctionnement sans faille de ces industries.
Malheureusement, les technologies de mesure de la concentration en oxygène existantes reposent sur des mesures par contact à l’aide de sondes, qui ne peuvent pas résister aux environnements à haute température. De plus, malgré la disponibilité de quelques technologies de mesure optique de la température, les matériaux organométalliques qu’elles utilisent se dégradent à des températures supérieures à 120 °C.
Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Kyung Chun Kim de l’Université nationale de Pusan, en Corée, a développé et testé une technique sans contact pour mesurer la concentration d’oxygène à haute température. Dans leur étude, mise en ligne le 19 avril 2022 et publiée dans Capteurs et actionneurs B : Chimiquel’équipe a décrit comment la lueur d’un matériau phosphorescent, ou « phosphorescence », peut être exploitée pour mesurer la concentration en oxygène.
Le matériau en question était de l’oxyde d’yttrium dopé à l’europium (Y2O3:Eu3+) – un luminophore, c’est-à-dire un matériau qui émet de la lumière en réponse à un rayonnement – qui a une structure cristalline très résistante à la température. Comme les autres luminophores, Y2O3:Eu3+ absorbe l’énergie lumineuse et la réémet à une fréquence plus basse. Cependant, en raison de son arrangement moléculaire unique avec des lacunes en oxygène, sa phosphorescence varie en fonction de l’oxygène environnant. Cette sensibilité élevée à l’oxygène fait de Y2O3:Eu3+ une sonde luminescente sans contact appropriée.
Pour approfondir cette propriété, l’équipe a mis en place un four bidimensionnel (2D) à température et concentration en oxygène réglables avec une fenêtre en quartz (une fenêtre qui permet à la lumière de passer librement dans les deux sens) et l’a utilisé pour faire briller un ultraviolet (UV) Lumière LED vers une tablette Y2O3:Eu3+. En mesurant la phosphorescence résultante à l’aide d’un spectromètre, l’équipe a constaté qu’elle était plus sensible à la concentration en oxygène à une température supérieure à 450°C pour une longueur d’onde de 612 nm. Au-delà de 450°C, la sensibilité de Y2O3:Eu3+ à la concentration en oxygène augmente avec l’augmentation de la température mais diminue avec l’augmentation de la concentration en oxygène.
Fait important, ils ont également observé deux propriétés de la phosphorescence Y2O3:Eu3+ qui pourraient être utilisées pour mesurer la concentration en oxygène à 550°C : son intensité et sa durée de vie, c’est-à-dire le temps qu’il faut à Y2O3:Eu3+ pour cesser d’émettre de la lumière. Bien que les mesures utilisant ce dernier aient été légèrement plus précises, ces résultats ont démontré l’applicabilité globale de l’utilisation de la phosphorescence de Y2O3:Eu3 à des températures élevées.
Discutant de ces résultats, le Dr Kim déclare que leur « étude est la première à développer une méthode 2D simple, sans contact, qui peut fournir un support technique pour l’amélioration des performances de nombreux produits industriels à haute température ».
Quelles sont les implications de ces découvertes ? Le professeur Kim remarque en outre que « cette méthode peut améliorer la recherche fondamentale sur les mécanismes et les applications de production industrielle, ce qui nous aiderait à comprendre les phénomènes thermophysiques inconnus de la vie quotidienne et de l’ingénierie ».
Tao Cai et al, Visualisation bidimensionnelle du champ de concentration d’oxygène dans un environnement à haute température à l’aide de phosphore Y2O3:Eu3+, Capteurs et actionneurs B : Chimique (2022). DOI : 10.1016/j.snb.2022.131884
Fourni par l’Université nationale de Pusan