Estados Unidos. El equipo de investigación de NETL y la Universidad de Pittsburgh demuestra el uso de nanomateriales plasmónicos (pNP) y recubrimientos compuestos de polímeros porosos en tecnologías de detección de fibra óptica que pueden detectar gases relevantes para la energía.
Entre estos gases se encuentran el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4).
La tecnología puede ayudar a garantizar un almacenamiento subterráneo y un monitoreo de tuberías más seguros y rápidos.
Los sensores de fibra óptica ofrecen ventajas sobre otros tipos de sensores porque son pequeños, livianos, pueden soportar altas temperaturas y presiones y son inmunes a las interferencias electromagnéticas. Además, los sensores de fibra óptica cuentan con una monitorización de largo alcance y distribuida espacialmente.
La última investigación demuestra cómo se pueden incorporar nanopartículas plasmónicas pNP en el recubrimiento de polímero poroso para mejorar las capacidades de monitoreo de los sensores de fibra óptica para aprovechar una extensa investigación en tecnología de sensores distribuidos en NETL.
Los pNP, incluidas las partículas de oro, plata y platino, son partículas metálicas discretas o partículas de óxido metálico, como el óxido de indio dopado con estaño (ITO), que tienen propiedades ópticas únicas debido a su tamaño y forma y se incorporan cada vez más a productos y tecnologías comerciales.
Los pNP tienen propiedades ópticas, eléctricas y térmicas únicas que los hacen eficaces para su uso en aplicaciones como recubrimientos antimicrobianos y diagnóstico molecular.
Las tecnologías de detección basadas en pNP son de interés para diversas aplicaciones químicas, biológicas, ambientales y médicas. Los sensores de gas plasmónicos exhiben una alta sensibilidad, pero hasta hace poco no se había demostrado que funcionaran con gases químicamente estables como el CO2 a temperatura ambiente.
En este caso específico, los investigadores de NETL Ki-Joong Kim, Jeffrey T. Culp, Jeffrey Wuenschell, Ali K. Sekizkardes y los ex investigadores de NETL Roman A. Shugayev y Paul R. Ohodnicki desarrollaron el material altamente sensible que puede usarse para detectar CO2. (o CH4) en ambientes ambientales.
Los investigadores crearon una película compuesta que proporciona características ópticas distintas y sintonizables en una plataforma de fibra óptica que puede usarse como transductor de señal para la detección de gases en condiciones atmosféricas.
Los investigadores explican que al variar el contenido de pNP en una matriz polimérica, el comportamiento óptico de la película compuesta se puede ajustar para afectar la longitud de onda operativa en más de varios cientos de nanómetros y la sensibilidad del sensor en el rango del infrarrojo cercano.
La sintonización de la resonancia del plasmón en el rango del infrarrojo cercano es particularmente importante en los enfoques de detección distribuidos o cuasi distribuidos, que son más compatibles con los sistemas de interrogación distribuidos.
La investigación también demostró que la película compuesta de polímero pNPs exhibe una notable estabilidad a largo plazo al mitigar el problema del envejecimiento físico del polímero. El sensor puede funcionar en condiciones atmosféricas sin signos significativos de degradación.
"Los avances en las tecnologías de detección son importantes para un futuro de energía limpia, incluido el almacenamiento subterráneo seguro de CO2 y la detección de fugas de CH4", afirmó Ruishu Wright, equipo de materiales funcionales de NETL.
“La visibilidad y el seguimiento son importantes para evaluar y gestionar los riesgos operativos del almacenamiento subterráneo de CO2. Se necesita monitoreo en tiempo real para garantizar la integridad de la infraestructura de almacenamiento y tuberías y para detectar signos tempranos de fugas de gas”, continuó Wright.
Hay muchos sensores de gas comerciales para CO2 o CH4 en funcionamiento, incluidos sensores de combustión catalítica, sensores electroquímicos, sensores de termoconductividad, sensores resistivos, sensores de fugas acústicos y sensores ópticos. Pero el desafío es que las tecnologías de sensores existentes son en su mayoría sensores puntuales o de separación.
“Existe una necesidad real de monitoreo de áreas amplias y de larga distancia para la detección de fugas de CO2 y CH4 en instalaciones de almacenamiento a gran escala y para la detección de gas CH4 en pozos e instalaciones industriales. La detección temprana de fugas de gases de efecto invernadero ayudará a mitigar las emisiones de gases y combatir el calentamiento global”, añadió Wright.
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