Advanced Electrochemical Sensors for Dual Hydrogen and Deuterium Detection

Abstract

La fusió nuclear representa una solució prometedora i sostenible per a les creixents demandes energètiques del món. Fonamental per a la viabilitat i eficiència de les reaccions de fusió nuclear és la determinació precisa de les concentracions de deuteri i triti, els principals isòtops combustibles. Aquests isòtops han de mesurar-se i controlar-se amb precisió per optimitzar el procés de fusió i garantir una operació segura i efectiva dels reactors de fusió. Aquest fet ressalta la necessitat de desenvolupar sensors capaços de distingir entre aquests isòtops d'hidrogen en les condicions de treball esperades.

En aquesta tesi doctoral, s'han desenvolupat sensors electroquímics d'hidrogen basats en electròlits en estat sòlid. Per a això, s'ha optimitzat la síntesi i sinteritzat dels electròlits BaCe0.6Z0.3Y0.1O3-α i Sr(Ce0.9Zr0.1)0.95Yb0.05O3-α. Aquests han estat caracteritzats utilitzant Microscòpia Electrònica d'Escombratge-Espectroscòpia de Dispersió d'Energia (SEM-EDS), Difracció de Raigs X (XRD) i Espectroscòpia d'Impedància Electroquímica (EIS). Aquestes tècniques han proporcionat informació detallada sobre les propietats estructurals i la composició dels electròlits, que són crucials per a la seva aplicació en dispositius electroquímics, com es el cas dels sensors.

Després de la caracterització, es van construir sensors tant amperomètrics com potenciomètrics i es van investigar els seus paràmetres analítics. Es van determinar les rectes de calibratge, els temps de resposta i recuperació, la precisió i l'exactitud per avaluar el rendiment dels sensors. Es va prestar especial atenció a les respostes dels sensors a l'hidrogen i al deuteri, permetent una anàlisi comparativa de la seva eficàcia en la detecció i diferenciació entre aquests isòtops.

Finalment, la superfície del sensor es va modificar amb diversos recobriments (pal·ladi, nitrur de bor hexagonal i grafè) per millorar la seva capacitat de mesurar els isòtops d'hidrogen de manera més efectiva. Aquestes modificacions tenien com a objectiu millorar la selectivitat dels sensors, proporcionant lectures més precises de les concentracions d'aquests isòtops, avançant així en el desenvolupament d'eines de diagnòstic fiables per a la tecnologia de fusió nuclear.

La fusión nuclear representa una solución prometedora y sostenible para las crecientes demandas energéticas del mundo. Fundamental para la viabilidad y eficiencia de las reacciones de fusión nuclear es la determinación precisa de las concentraciones de deuterio y tritio, los principales isótopos combustibles. Estos isótopos deben medirse y controlarse con precisión para optimizar el proceso de fusión y garantizar una operación segura y efectiva de los reactores de fusión. Este hecho resalta la necesidad de desarrollar sensores capaces de distinguir entre estos isótopos de hidrógeno en las condiciones de trabajo esperadas.

En esta tesis doctoral, se han desarrollado sensores electroquímicos de hidrógeno basados en electrolitos en estado sólido. Para ello, se ha optimizado la síntesis y sinterizado de los electrolitos BaCe0.6Z0.3Y0.1O3-α y Sr(Ce0.9Zr0.1)0.95Yb0.05O3-α. Estos han sido caracterizados utilizando Microscopía Electrónica de Barrido-Espectroscopía de Dispersión de Energía (SEM-EDS), Difracción de Rayos X (XRD) y Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS). Estas técnicas proporcionaron información detallada sobre las propiedades estructurales y la composición de los electrolitos, que son cruciales para su aplicación en dispositivos electroquímicos, como es el caso de los sensores.

Tras la caracterización, se construyeron sensores tanto amperométricos como potenciométricos y se investigaron sus parámetros analíticos. Se determinaron las rectas de calibración, los tiempos de respuesta y recuperación, la precisión y la exactitud para evaluar el rendimiento de los sensores. Se prestó especial atención a las respuestas de los sensores al hidrógeno y al deuterio, permitiendo un análisis comparativo de su eficacia en la detección y diferenciación entre estos isótopos.

Finalmente, la superficie del sensor se modificó con varios recubrimientos (paladio, nitruro de boro hexagonal y grafeno) para mejorar su capacidad de medir los isótopos de hidrógeno de manera más efectiva. Estas modificaciones tenían como objetivo mejorar la selectividad de los sensores, proporcionando lecturas más precisas de las concentraciones de dichos isótopos, avanzando así en el desarrollo de herramientas de diagnóstico fiables para la tecnología de fusión nuclear.

Nuclear fusion represents a promising and sustainable solution for the world's increasing energy demands. Central to the feasibility and efficiency of nuclear fusion reactions is the accurate determination of the concentrations of deuterium and tritium, the primary fuel isotopes. These isotopes must be precisely measured and controlled to optimize the fusion process and ensure safe, effective operation of fusion reactors. This importance underscores the need for reliable sensors capable of distinguishing between these hydrogen isotopes under operational conditions.

In this doctoral thesis, electrochemical hydrogen sensors based on solid-state electrolytes have been developed. To achieve this, the synthesis and sintering of the BaCe0.6Z0.3Y0.1O3-α and Sr(Ce0.9Zr0.1)0.95Yb0.05O3-α electrolytes have been optimized. These electrolytes have been characterized using Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), X-Ray Diffraction (XRD), and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). These techniques provided detailed information on the structural and compositional properties of the electrolytes, which are crucial for their application in electrochemical devices, such as the case of sensors.

Following characterization, both amperometric and potentiometric sensors were constructed and their analytical parameters were thoroughly investigated. Calibration curves, response and recovery times, precision, and accuracy were determined to assess the performance of the sensors. Particular attention was given to the sensors' responses to hydrogen and deuterium, enabling a comparative analysis of their efficacy in detecting and distinguishing between these isotopes.

Finally, the sensor surface was modified with various coatings (palladium, hexagonal boron nitride and graphene) to enhance their ability to measure hydrogen isotopes more effectively. These modifications aimed to improve the sensors' selectivity, providing more accurate readings of these isotopes concentrations, thereby advancing the development of reliable diagnostic tools for nuclear fusion technology.