Une équipe de recherche du NETL et de l’Université de Pittsburgh a démontré comment l’utilisation de nanomatériaux plasmoniques (pNP) et d’un revêtement polymère composite poreux dans les technologies de détection par fibre optique peut détecter des gaz pertinents pour l’énergie, tels que le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4).
Cette technologie peut aider à assurer une surveillance souterraine et par pipeline plus sûre, plus rapide et plus sécurisée. Les résultats ont été publiés dans un article de la revue Advanced Materials, l’une des revues de recherche multidisciplinaires les plus prestigieuses au monde qui chevauche les sciences des matériaux, les technologies innovantes et les applications concrètes.
Les capteurs à fibres optiques, une solution avantageuse
Les capteurs à fibres optiques offrent des avantages par rapport aux autres types de capteurs car ils sont petits, légers, peuvent résister à des températures et des pressions élevées, et sont immunisés contre les interférences électromagnétiques. En outre, les capteurs à fibres optiques présentent une portée étendue et une surveillance répartie spatialement.
Les dernières recherches démontrent comment les nanoparticules plasmoniques (pNP) peuvent être incorporées dans le revêtement polymère poreux pour améliorer les capacités de surveillance des capteurs à fibres optiques, en s’appuyant sur les nombreuses recherches menées par le NETL sur les technologies de capteurs répartis.
Propriétés uniques des nanoparticules plasmoniques
Les pNP – incluant l’or, l’argent et le platine – sont des particules métalliques discrètes ou des particules d’oxyde métallique comme l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO) qui possèdent des propriétés optiques uniques en raison de leur taille et de leur forme. Elles sont de plus en plus intégrées dans les produits et technologies commerciaux. Elles possèdent des propriétés optiques, électriques et thermiques uniques qui les rendent efficaces pour des applications telles que les revêtements antimicrobiens et le diagnostic moléculaire.
Les technologies de détection basées sur les pNP présentent un intérêt pour diverses applications chimiques, biologiques, environnementales et médicales. Les capteurs de gaz plasmoniques font preuve d’une grande sensibilité, mais jusqu’à récemment, ils n’avaient pas démontré leur efficacité pour les gaz chimiquement stables comme le CO2 à température ambiante.
Développement d’un matériau hautement sensible
Dans ce cas précis, les chercheurs du NETL ont développé le matériau hautement sensible qui peut être utilisé pour détecter le CO2 (ou CH4) dans des environnements ambiants.
L’article décrit comment les chercheurs ont créé un film composite qui fournit des caractéristiques optiques distinctes et accordables sur une plateforme à fibre optique pouvant être utilisée comme transducteur de signal pour la détection de gaz dans des conditions atmosphériques.
Les chercheurs expliquent dans l’article qu’en faisant varier la teneur en pNP dans une matrice polymère, le comportement optique du film composite peut être accordé pour affecter la longueur d’onde opérationnelle de plusieurs centaines de nanomètres et la sensibilité du capteur dans la gamme du proche infrarouge. L’accord de la résonance plasmonique sur toute la gamme du proche infrarouge est particulièrement important dans les approches de détection distribuée ou quasi distribuée, qui sont plus compatibles avec les systèmes d’interrogation distribués.
Stabilité remarquable à long terme
La recherche a également démontré que le film composite pNP-polymère présente une stabilité à long terme remarquable en atténuant le problème de vieillissement physique du polymère. Le capteur peut fonctionner dans des conditions atmosphériques sans signes significatifs de dégradation.
« Les développements des technologies de détection sont importants pour un avenir énergétique propre, y compris le stockage souterrain sûr du CO2 et la détection des fuites de CH4« , selon Ruishu Wright de l’équipe des matériaux fonctionnels du NETL, « La visibilité et la surveillance sont importantes pour évaluer et gérer les risques opérationnels du stockage souterrain de CO2. Une surveillance en temps réel est nécessaire pour assurer l’intégrité des infrastructures de stockage et de pipeline et détecter les premiers signes de fuite de gaz.«
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Elle a déclaré qu’il existe de nombreux capteurs de gaz commerciaux pour le CO2 ou le CH4 en fonctionnement, notamment les capteurs de combustion catalytique, les capteurs électrochimiques, les capteurs de conductivité thermique, les capteurs résistifs, les capteurs acoustiques de fuite, et les capteurs optiques.
Mais le défi est que les technologies de capteurs existantes sont principalement des capteurs ponctuels ou à distance. Il existe un réel besoin de surveillance à grande échelle et à longue distance pour la détection des fuites de CO2 et de CH4 dans les installations de stockage à grande échelle et pour la détection de gaz CH4 sur les sites de puits et dans les installations industrielles. La détection précoce des fuites de ces gaz à effet de serre contribuera à atténuer les émissions de gaz et à lutter contre le réchauffement climatique.
En synthèse
Cette recherche démontre le potentiel des nanomatériaux plasmoniques incorporés dans des revêtements polymères poreux pour améliorer les performances des capteurs à fibres optiques. Ces capteurs optimisés permettent une détection précise et stable dans le temps du CO2 et du CH4 à l’état gazeux, avec une sensibilité accrue.
Leur mise en œuvre facilite la surveillance à grande échelle des sites de stockage souterrain et des infrastructures gazières, contribuant à la sécurité et à la lutte contre le changement climatique.
Pour une meilleure compréhension
Quels sont les avantages des capteurs à fibres optiques ?
Les capteurs à fibres optiques sont petits, légers, résistants aux hautes températures et pressions, immunisés aux interférences électromagnétiques et permettent une surveillance à longue distance.
Comment les nanoparticules plasmoniques améliorent-elles les capteurs ?
Les nanoparticules plasmoniques confèrent au capteur des propriétés optiques uniques qui augmentent sa sensibilité, notamment pour détecter le CO2 et le CH4.
Quels gaz peut détecter ce nouveau capteur ?
Ce capteur permet de détecter efficacement le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4).
Quels sont les avantages par rapport aux capteurs existants ?
Ce capteur optique à fibres offre une meilleure détection à grande échelle que les capteurs ponctuels actuels.
Quelles applications concrètes pour ce nouveau capteur ?
La surveillance des sites de stockage souterrain du CO2 et la détection des fuites de méthane dans les infrastructures gazières.
Légende illustration principale : Les chercheurs du NETL étudient les améliorations à apporter aux systèmes de capteurs à fibre optique en utilisant des nanomatériaux plasmoniques et des revêtements composites en polymère poreux. Crédit image : SHASTA
