L'ossigeno svolge un ruolo chiave in vari processi industriali, tra cui la combustione e la conversione dell'energia, che sono coinvolti in campi importanti come le celle a combustibile, i motori automobilistici e le turbine a gas. Pertanto, una misurazione accurata e in tempo reale della concentrazione di ossigeno è fondamentale per il funzionamento senza interruzioni di questi settori.

Sfortunatamente, le tecnologie di misurazione della concentrazione di ossigeno esistenti si basano su misurazioni di contatto che utilizzano sonde, che non possono resistere ad ambienti ad alta temperatura. Inoltre, nonostante la disponibilità di poche tecnologie ottiche di misurazione della temperatura, i materiali organometallici che utilizzano si degradano a temperature superiori a 120 °C.

Per affrontare questo problema, un team di ricercatori guidato dal Prof. Kyung Chun Kim della Pusan ​​National University, in Corea, ha sviluppato e testato una tecnica senza contatto per misurare la concentrazione di ossigeno ad alte temperature. Nel loro studio, che è stato reso disponibile online il 19 aprile 2022 e pubblicato in Sensors and Actuator B:Chemical , il team ha descritto come il bagliore di un materiale fosforescente, o "fosforescenza", può essere sfruttato per misurare la concentrazione di ossigeno.

Il materiale in questione era ossido di ittrio drogato con europio (Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} )—un fosforo, cioè un materiale che emette luce in risposta alla radiazione—che ha una struttura cristallina altamente resistente alla temperatura. Come altri fosfori, Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} assorbe l'energia luminosa e la riemette a una frequenza inferiore. Tuttavia, a causa della sua disposizione molecolare unica con le vacanze di ossigeno, la sua fosforescenza varia a seconda dell'ossigeno circostante. Questa elevata sensibilità all'ossigeno rende Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} una sonda luminescente senza contatto adatta.

Per indagare ulteriormente su questa proprietà, il team ha allestito un forno bidimensionale (2D) regolabile in temperatura e concentrazione di ossigeno con una finestra al quarzo (una finestra che consente alla luce di passare liberamente in entrambe le direzioni) e l'ha utilizzata per illuminare un ultravioletto (UV) Luce LED verso Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} tavoletta. Misurando la fosforescenza risultante utilizzando uno spettrometro, il team ha scoperto che era più sensibile alla concentrazione di ossigeno a una temperatura superiore a 450°C per una lunghezza d'onda di 612 nm. Oltre i 450°C, la sensibilità di Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} alla concentrazione di ossigeno aumentava con l'aumentare della temperatura ma diminuiva con l'aumento della concentrazione di ossigeno.

È importante sottolineare che hanno anche osservato due proprietà di Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} fosforescenza che potrebbe essere utilizzata per misurare la concentrazione di ossigeno a 550°C:la sua intensità e durata, ovvero il tempo impiegato per Y₂ O₃ :Ue ^{3 +} per smettere di emettere luce. Sebbene le misurazioni che utilizzano quest'ultimo fossero leggermente più accurate, questi risultati hanno dimostrato l'applicabilità generale dell'uso della fosforescenza di Y₂ O₃ :Ue ³ ad alte temperature.

Discutendo questi risultati, il Dr. Kim afferma che il loro "studio è il primo a sviluppare un metodo 2D semplice, senza contatto, in grado di fornire supporto tecnico per il miglioramento delle prestazioni di molti prodotti industriali alle alte temperature".

Quali sono le implicazioni di questi risultati? Il Prof. Kim osserva inoltre che "questo metodo può migliorare la ricerca sui meccanismi di base e le applicazioni di produzione industriale, il che ci aiuterebbe a comprendere fenomeni termofisici sconosciuti nella vita quotidiana e nell'ingegneria". + Esplora ulteriormente

Meccanismo di attivazione dell'ossigeno su materiali di perovskite contenenti bario