美国能源部国家实验室（U.S. Department of Energy national laboratory，NETL）的研究人员正在研究利用等离子体纳米材料和多孔聚合物复合涂层改进光纤传感器系统。

NETL和匹兹堡大学的一个研究小组展示了如何在光纤传感技术中使用等离子体纳米材料(pNPs)和多孔聚合物复合涂层来检测与能源相关的气体，如二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)。

该技术可以帮助确保更安全、更快、更安全的地下储存和管道监测。该研究结果发表在《先进材料》杂志上，该杂志是世界上最负盛名的多学科研究期刊之一，涵盖材料科学、创新技术和现实世界的应用。

光纤传感器比其他类型的传感器更有优势，因为它们体积小，重量轻，可以承受高温和高压，并且不受电磁干扰。此外，光纤传感器具有远距离和空间分布监测的特点。

最新的研究表明，等离子体纳米粒子(pNPs)可以结合到多孔聚合物涂层中，以增强光纤传感器的监测能力，从而建立在NETL广泛的分布式传感器技术研究的基础上。

pNPs-包括金、银和铂颗粒-是离散的金属颗粒或金属氧化物颗粒，如锡掺杂氧化铟(ITO)，由于其尺寸和形状而具有独特的光学特性，并且越来越多地被纳入商业产品和技术中。它们具有独特的光学、电学和热性能，使其在抗菌涂层和分子诊断等应用中有效使用。

基于pNPs的传感技术对各种化学、生物、环境和医学应用都很感兴趣。等离子体气体传感器具有很高的灵敏度，但直到最近还没有证明在室温下化学稳定的气体，如二氧化碳。在这种特殊情况下，NETL的研究人员Ki-Joong Kim、Jeffrey T. Culp、Jeffrey Wuenschell、Ali K. Sekizkardes和前NETL研究人员Roman A. Shugayev和Paul R. Ohodnicki开发了可用于检测环境中CO₂(或CH₄)的高灵敏度材料。

这篇论文描述了研究人员如何在光纤平台上创造一种复合薄膜，这种薄膜提供了独特的可调光学特性，可以用作大气条件下气体传感的信号传感器。

研究人员在论文中解释说，通过改变聚合物基质中pNPs的含量，可以调整复合薄膜的光学行为，从而影响几百纳米的工作波长和近红外范围内传感器的灵敏度。调谐近红外范围内的等离子体共振在分布式或准分布式传感方法中尤为重要，这与分布式询问系统更兼容。

研究还表明，pNPs聚合物复合膜通过减轻聚合物的物理老化问题，表现出显著的长期稳定性。该传感器可以在大气条件下工作，没有明显的退化迹象。

“传感技术的发展对清洁能源的未来非常重要，包括二氧化碳的安全地下储存和CH₄泄漏的检测，”NETL功能材料团队的Ruishu Wright表示，“可见性和监测对于评估和管理地下二氧化碳储存的操作风险非常重要。需要实时监控，以确保储存和管道基础设施的完整性，并发现天然气泄漏的早期迹象。”

她说，目前有许多用于二氧化碳或甲烷的商用气体传感器，包括催化燃烧传感器、电化学传感器、导热传感器、电阻传感器、声泄漏传感器和光学传感器。但挑战在于，现有的传感器技术大多是点或对峙传感器。

“对于大型储存设施中的CO₂和CH₄泄漏检测以及井场和工业设施中的CH₄气体检测，确实需要进行广域和远程监测。及早发现温室气体泄漏将有助于减少气体排放，对抗全球变暖。”