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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 Langzeitstabilität auszeichnet. Dies wird u.A. durch die Verwendung höchstporöser, 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 Langzeitstabilität aufweist. Kernbauteil soll ein hochtemperaturstabiler Mikrosensor mit Membranen und Thermosäulen mit einem hohen Seebeckkoeffizient sein. Als hochporöser 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 Temperaturerhöhung 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, poröse Keramikkörper ausgeführt. Die elektrisch beheizten Bauteile sind kommerziell verfügbar, jedoch benötigen sie aufgrund ihrer großen Dimensionierung eine für viele Anwendungen zu große 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 häufig poröse katalytische Schichten verwendet. Aufgrund der fehlenden Langzeitstabilität konnten sich entsprechende Systeme bisher allerdings nicht durch­setzen.

Im Wesentlichen sind zwei Gründe unabhängig voneinander für die fehlende Langzeitstabilität 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 poröse 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 temperaturbeständige Diffusionsbarriere können 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 große Oberfläche bzw. Porosität der Gesamtstruktur katalytisch sehr aktiv sind. Zur Stabilisierung gegen Vergiftung und Sinterung sollen die Nanopartikel organisch funktionalisiert werden. Die verwendeten Liganden, welche auf der Oberfläche der Nanopartikel binden fungieren u.A. als Abstandshalter.

 


Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Walter Lang 
IMSAS, NW1, Raum O 2120
Tel: +49 421 218 62602
E-mail: wlangprotect me ?!imsas.uni-bremenprotect me ?!.de

Finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Förderkennzeichen 16SV5324

 

Partnerinstitut:

Institut für Angewandte und Physikalische Chemie (IAPC) http://www.iapc.uni-bremen.de/


Veröffentlichungen: 


Altmann, L.; Sturm, H.; Brauns, E.; Lang, W.; Bäumer, 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.; Bäumer, 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.; Bäumer, 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.; Bäumer, 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.; Bäumer, 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.; Bäumer, 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.; Bäumer, M.: Ligand-linked nanoparticle networks – An alternative approach for the stabilization catalytic nanoparticles. Eingereicht: Journal of Materials Chemistry A. 2013

 

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Aktualisiert von: L. Reichel