KatSens
Kurzfassung:
Im Rahmen dieses Projektes wird ein katalytischer Mikrogassensor entwickelt, welcher sich besonders durch einen geringen Leistungsverbrauch, eine kurze Ansprechzeit, eine hohe Empfindlichkeit und eine verbesserte Langzeitstabilit?t auszeichnet. Dies wird u.A. durch die Verwendung h?chstpor?ser, auf Nanopartikel basierender Katalysatoren erreicht, welche durch organische Netzwerkbildung (Liganden) stabilisiert werden.
Zielsetzung:
Ziel des Projektes ist es einen katalytischen Mikrogassensor zu entwickeln, welcher einen besonders geringen Leistungsverbrauch, eine kurze Ansprechzeit, eine hohe Empfindlichkeit und eine verbesserte Langzeitstabilit?t aufweist. Kernbauteil soll ein hochtemperaturstabiler Mikrosensor mit Membranen und Thermos?ulen mit einem hohen Seebeckkoeffizient sein. Als hochpor?ser Katalysator sollen Platin-Nanopartikel verwendet werden, welche durch organische Funktionalisierung stabilisiert werden sollen. Dadurch soll der Katalysator besonders resistent gegen Katalysatorvergiftung und Sinterung werden, insbesondere durch energetisch hochaktive Gase wie Wasserstoff.
Projektbeschreibung:
Das Messprinzip katalytischer Gassensoren basiert auf einen geheizten Katalysator an welchem ein brennbares Gas in der Umgebung reagiert. Die Temperaturerh?hung auf Grund der exothermen Reaktion kann sensorisch durch z.B. Thermoelemente detektiert werden. Das Prinzip ist bereits seit langem bekannt und makroskopisch umgesetzt. Vorteil dieser Art von Sensoren ist ein sehr einfacher, kompakter Aufbau, eine sehr hohe Messgenauigkeit bei einem linearen Antwortverhalten und eine geringe Beeinflussung durch Umgebungsparameter (Temperatur, Feuchte).
Klassische, makroskopische katalytische Gassensoren sind als mit Platin beschichtete, in Feinwerktechnik hergestellte, por?se Keramikk?rper ausgeführt. Die elektrisch beheizten Bauteile sind kommerziell verfügbar, jedoch ben?tigen sie aufgrund ihrer gro?en Dimensionierung eine für viele Anwendungen zu gro?e Heizleistung, weisen eine geringe Empfindlichkeit auf und reagieren langsam. Bereits seit einigen Jahren wird daher versucht katalytische Gassensoren in mikrotechnologischer Bauweise umzusetzen. Diese Systeme basieren meist auf einer katalytisch beschichteten Siliziumnitridmembran. Zur Steigerung der Empfindlichkeit und weiteren Senkung des Energieverbrauches durch geringere Betriebstemperaturen werden dabei h?ufig por?se katalytische Schichten verwendet. Aufgrund der fehlenden Langzeitstabilit?t konnten sich entsprechende Systeme bisher allerdings nicht durch?setzen.
Im Wesentlichen sind zwei Gründe unabh?ngig voneinander für die fehlende Langzeitstabilit?t derartiger Systeme verantwortlich. Zum einen ist die zum Schutz des Heizers und der Temperatursensoren aufgebrachte Passivierung nicht temperaturstabil und zum anderen werden die katalytischen Schichten schnell durch in der Luft befindlichen Katalysatorgifte degeneriert oder verlieren durch die Reaktionen induzierte hohe Temperaturen ihre por?se Struktur. Letzteres ist besonders bei energetisch hoch aktiven Gasen wie Wasserstoff problematisch.
Das IMSAS entwickelt in Zusammenarbeit mit dem IAPC ein neuartiges Konzept für einen entsprechenden Gassensor. Grundelement wird ein Membransensor, welcher durch Hochtemperaturprozesse hergestellte Membranen und Passivierungen aufweist und entsprechend besonders temperaturstabil und chemisch stabil ist. Durch eine temperaturbest?ndige Diffusionsbarriere k?nnen zudem Thermoelemente verwendet werden. Diese werden sehr fein strukturiert, wodurch eine hohe Anzahl mit einem insgesamt sehr hohen Seebeckkoeffizient erzeugt werden kann. Als Katalysator werden Platin-Nanopartikel verwendet, welche durch ihre gro?e Oberfl?che bzw. Porosit?t der Gesamtstruktur katalytisch sehr aktiv sind. Zur Stabilisierung gegen Vergiftung und Sinterung sollen die Nanopartikel organisch funktionalisiert werden. Die verwendeten Liganden, welche auf der Oberfl?che der Nanopartikel binden fungieren u.A. als Abstandshalter.
Finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), F?rderkennzeichen 16SV5324
Partnerinstitut:
Institut für Angewandte und Physikalische Chemie (IAPC) http://www.iapc.uni-bremen.de/
Ver?ffentlichungen:
Altmann, L.; Sturm, H.; Brauns, E.; Lang, W.; B?umer, M.: Novel Catalytic Gas Sensors Based on Functionalized Nanoparticle Layer. In: Sensors and Actuators B: Chemical 174, pp. 145-152, 2012
Brauns, E.; Morsbach, E.; Schnurpfeil, G.; B?umer, M.; Lang, W.: A Miniaturized Catalytic Gas Sensor with Functionalized Nanoparticles as Catalytic Layer. In: Proceedings of IMCS Conference, Nürnberg, Deutschland, Juni, 2012
Brauns, E.; Morsbach, E.; Schnurpfeil, G.; B?umer, M.; Lang, W.: A Nanoparticles Based Catalytic Gas Sensor with Improved Stability. In: Proceedings of IEEE Sensors Conference, Taipei, Taiwan, Oktober 2012
Brauns, E.; Morsbach, E.; Schnurpfeil, G.; B?umer, M.; Lang, W.: A Miniaturized Catalytic Gas Sensor for Hydrogen Detection Based on Stabilized Nanoparticles as Catalytic Layer. In: Sensors and Actuators B: Chemical 187, pp. 420-425, 2013
Brauns, E.; Morsbach, E.; B?umer, M.; Lang, W.: A Fast and Sensitive Catalytic Hydrogen Sensor Based on a Stabilized Nanoparticle Catalyst. In: Proceedings of Transducers Conference, Barcelona, Spanien, Juni 2013
Brauns, E.; Morsbach, E.; Kunz, S.; B?umer, M.; Lang, W.: A Fast and Sensitive Catalytic Gas Sensor for Hydrogen Detection Based on Stabilized Nanoparticles as Catalytic Layer. Eingereicht/Akzeptiert: Sensors and Actuators B: Chemical, 2013
Morsbach, E.; Spéder, J.; Arenz, M.; Brauns, E.; Lang, W.; Kunz, S.; B?umer, M.: Ligand-linked nanoparticle networks – An alternative approach for the stabilization catalytic nanoparticles. Eingereicht: Journal of Materials Chemistry A. 2013