美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（U.S. Department of Energy national laboratory，NETL）的研究人員正在研究利用等離子體納米材料和多孔聚合物復(fù)合涂層改進(jìn)光纖傳感器系統(tǒng)。
NETL和匹茲堡大學(xué)的一個(gè)研究小組展示了如何在光纖傳感技術(shù)中使用等離子體納米材料(pNPs)和多孔聚合物復(fù)合涂層來檢測(cè)與能源相關(guān)的氣體，如二氧化碳(CO?)和甲烷(CH?)。
該技術(shù)可以幫助確保更安全、更快、更安全的地下儲(chǔ)存和管道監(jiān)測(cè)。該研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上，該雜志是世界上最負(fù)盛名的多學(xué)科研究期刊之一，涵蓋材料科學(xué)、創(chuàng)新技術(shù)和現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。
光纖傳感器比其他類型的傳感器更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈凅w積小，重量輕，可以承受高溫和高壓，并且不受電磁干擾。此外，光纖傳感器具有遠(yuǎn)距離和空間分布監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。
最新的研究表明，等離子體納米粒子(pNPs)可以結(jié)合到多孔聚合物涂層中，以增強(qiáng)光纖傳感器的監(jiān)測(cè)能力，從而建立在NETL廣泛的分布式傳感器技術(shù)研究的基礎(chǔ)上。
pNPs-包括金、銀和鉑顆粒-是離散的金屬顆粒或金屬氧化物顆粒，如錫摻雜氧化銦(ITO)，由于其尺寸和形狀而具有獨(dú)特的光學(xué)特性，并且越來越多地被納入商業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)中。它們具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和熱性能，使其在抗菌涂層和分子診斷等應(yīng)用中有效使用。
基于pNPs的傳感技術(shù)對(duì)各種化學(xué)、生物、環(huán)境和醫(yī)學(xué)應(yīng)用都很感興趣。等離子體氣體傳感器具有很高的靈敏度，但直到最近還沒有證明在室溫下化學(xué)穩(wěn)定的氣體，如二氧化碳。在這種特殊情況下，NETL的研究人員Ki-Joong Kim、Jeffrey T. Culp、Jeffrey Wuenschell、Ali K. Sekizkardes和前NETL研究人員Roman A. Shugayev和Paul R. Ohodnicki開發(fā)了可用于檢測(cè)環(huán)境中CO?(或CH?)的高靈敏度材料。
這篇論文描述了研究人員如何在光纖平臺(tái)上創(chuàng)造一種復(fù)合薄膜，這種薄膜提供了獨(dú)特的可調(diào)光學(xué)特性，可以用作大氣條件下氣體傳感的信號(hào)傳感器。
研究人員在論文中解釋說，通過改變聚合物基質(zhì)中pNPs的含量，可以調(diào)整復(fù)合薄膜的光學(xué)行為，從而影響幾百納米的工作波長(zhǎng)和近紅外范圍內(nèi)傳感器的靈敏度。調(diào)諧近紅外范圍內(nèi)的等離子體共振在分布式或準(zhǔn)分布式傳感方法中尤為重要，這與分布式詢問系統(tǒng)更兼容。
研究還表明，pNPs聚合物復(fù)合膜通過減輕聚合物的物理老化問題，表現(xiàn)出顯著的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器可以在大氣條件下工作，沒有明顯的退化跡象。
“傳感技術(shù)的發(fā)展對(duì)清潔能源的未來非常重要，包括二氧化碳的安全地下儲(chǔ)存和CH?泄漏的檢測(cè)，”NETL功能材料團(tuán)隊(duì)的Ruishu Wright表示，“可見性和監(jiān)測(cè)對(duì)于評(píng)估和管理地下二氧化碳儲(chǔ)存的操作風(fēng)險(xiǎn)非常重要。需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保儲(chǔ)存和管道基礎(chǔ)設(shè)施的完整性，并發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏的早期跡象。”
她說，目前有許多用于二氧化碳或甲烷的商用氣體傳感器，包括催化燃燒傳感器、電化學(xué)傳感器、導(dǎo)熱傳感器、電阻傳感器、聲泄漏傳感器和光學(xué)傳感器。但挑戰(zhàn)在于，現(xiàn)有的傳感器技術(shù)大多是點(diǎn)或?qū)χ艂鞲衅鳌?/p>
“對(duì)于大型儲(chǔ)存設(shè)施中的CO?和CH?泄漏檢測(cè)以及井場(chǎng)和工業(yè)設(shè)施中的CH?氣體檢測(cè)，確實(shí)需要進(jìn)行廣域和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。及早發(fā)現(xiàn)溫室氣體泄漏將有助于減少氣體排放，對(duì)抗全球變暖。”
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