La caratterizzazione della superficie è importante per determinare come i materiali interagiscono con il loro ambiente. I ricercatori si affidano alla loro comprensione del comportamento delle superfici per migliorare le prestazioni dei materiali incorporati nei sensori. Il National Energy Technology Laboratory del DOE sta sviluppando sensori di gas ottici, in grado di operare in ambienti difficili, che può essere utilizzato per monitorare e controllare i processi critici in una varietà di sistemi energetici tra cui la gassificazione del carbone, celle a combustibile ad ossido solido, turbine a gas, e ossicombustione. Per esempio, l'utilizzo di sensori ottici di gas per monitorare e regolare l'ambiente del gas durante la combustione o la gassificazione del carbone può consentire un utilizzo più efficiente del carbone e una migliore efficienza della centrale elettrica.

Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), una tecnica utilizzata per esaminare la chimica superficiale di un materiale solido, i ricercatori NETL hanno iniziato a comprendere i principi operativi e i meccanismi di rilevamento alla base dei promettenti materiali a film sottile nanocomposito.

XPS fornisce informazioni sulla composizione degli elementi superficiali e sugli stati chimici ed elettronici degli elementi. Gli elementi entro i primi 3-5 nanometri della superficie di un materiale emettono elettroni caratteristici quando eccitati da un raggio di raggi X. Il numero di elettroni aventi energie specifiche può essere tracciato per produrre spettri che consentono di determinare la relazione tra proprietà elettroniche e composizione superficiale di film sottili. Comprendere ciò consente ai ricercatori di regolare la composizione per migliorare le proprietà elettroniche e quindi le prestazioni delle pellicole di rilevamento.

Utilizzando questa tecnica, I ricercatori NETL hanno ottenuto informazioni sul meccanismo di rilevamento associato ai film nanocompositi di zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ) contenenti nanoparticelle di metalli nobili. I film sottili YSZ contenenti oro hanno dimostrato un meccanismo di rilevamento che implica il trasferimento di elettroni avanti e indietro tra le nanoparticelle d'oro e YSZ in risposta a variabili sperimentali, comprese le alte temperature e l'esposizione a gas ossidanti e riducenti.

Gli effetti dei cambiamenti nella densità elettronica dell'oro possono essere misurati come parte del processo di rilevamento del gas. Comprendendo ciò che è responsabile di tali cambiamenti, diversi metalli nobili e configurazioni possono essere sfruttati per progettare nuovi e migliori materiali di superficie da utilizzare nei sensori ottici di gas.

Secondo il chimico di ricerca NETL John Baltrus, "Capire come si comportano i materiali in condizioni operative difficili è essenziale per lo sviluppo di materiali con migliori caratteristiche prestazionali. I risultati del nostro lavoro possono essere utilizzati per progettare nuove sostanze chimiche superficiali che portino a una maggiore durata, resistente alla corrosione, e sensori di gas ottici sensibili."