Zusammenfassung
Herkömmliche Pellistoren auf der Basis von porösen Al2O3 als Trägermaterial für einen Pd-Katalysator benötigen eine Arbeitstemperatur von rund 450 °C für den Nachweis von Methan. Durch diese hohe Temperatur sind sie anfällig für „Vergiftungen“ durch Silizium-haltige Gase. Eine gute Alternative bieten Co3O4-basierte Träger in Kombination mit bimetallischen katalytischen Nanomaterialien, mit denen die Arbeitstemperatur auf rund 300 °C gesenkt werden kann. Wir stellen in diesem Beitrag unsere Ergebnisse für ein Materialsystem aus mesoporösem Co3O4 mit Au-Pd-Funktionalisierung vor. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass mesoporöses Co3O4 vorteilhaft gegenüber kommerziell erhältlichem polykristallinem Co3O4 in Bezug auf die katalytische Umsetzung ist. Zudem beeinflusst der Bedeckungsgrad des Co3O4 mit Au-Pd-Partikeln das katalytische Verhalten des Sensors. Die niedrigere Betriebstemperatur des untersuchten Materialsystems verbessert den Explosionsschutz entscheidend und senkt die Heizleistungsaufnahme. Bei den für die Experimente verwendeten Substraten verringert sich die Heizleistungsaufnahme von 610 mW bei 450 °C auf 355 mW bei 300 °C Arbeitstemperatur.
Abstract
Commercial pellistors based on Al2O3 as a support material for a Pd-catalyst require an operation temperature of around 450 °C for the detection of methane. Due to this high temperature, they are susceptible to “poisoning” by Si-containing gases. Co3O4-based polycrystalline carrier materials in combination with bimetallic catalytic nanoparticles offer a good alternative to conventional materials since the working temperature can be lowered to around 300 °C. In this article, we present our results on porous Co3O4 covered with catalytic Au-Pd nanoparticles. The results obtained show that mesoporous Co3O4 is advantageous over layers made of commercially available Co3O4 nano powder in terms of catalytic conversion. In addition, the degree of Co3O4 coverage with Au-Pd particles influences strongly the catalytic performance of the sensor. The lower operation temperature of investigated material system improves the explosion protection crucial and reduces the heating power consumption. For the sensor substrates used for the experiments, the heating power consumption decreases from 610 mW at 450 °C to 355 mW at 300 °C working temperature.
Funding source: Fraunhofer-Gesellschaft
Award Identifier / Grant number: MAVO 836 931 FLUMEMS
Funding statement: Die durchgeführten Arbeiten wurden zum Teil von der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen der Internen Programme der Fraunhofer Gesellschaft, Fördernummer MAVO 836 931 FLUMEMS gefördert
Über die Autoren
M. Sc. Xuemeng Lyu erhielt ihren B. Sc in Chemie an der Landwirtschaftlichen Universität Chinas. 2019 schloss sie ihren M. Sc. in Functional Materials an der Universi-tät Freiburg ab. Sie arbeitet seit 2017 an der Weiterentwicklung von katalytischen Wärmetönungssensoren an der Professur für Gassensorik der Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik.
Dr. Haitao Gao schloss 2005 seinen M. Sc. in Chemie an der Universität Siegen ab. Anschließend wechselte er an die Universität Mainz und promovierte 2010 in Festkörperchemie. Seit 2016 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Gassensorik der Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik.
M. Sc. Patrick Diehle schloss sein Studium der Materialwissenschaften an der RWTH AACHEN 2012 ab. Er arbeitete als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen des Forschunsgszentrum Jülich (2014–2018) bevor er zum Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in die Gruppe Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik wechselte.
Dr. Katrin Schmitt Katrin Schmitt studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der University of Texas in Austin, USA (1999–2003). Sie promovierte 2006 an der Universität Strasburg, Frankreich, und ist seitdem wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IPM in Freiburg. Seit 2018 hat sie die Gruppenleitung an der Professur für Gassensoren der Universität Freiburg inne.
Dr. Karina R. Tarantik studierte Chemie an der Ludwig-Maximilians-Universität in München (2002–2007). Von 2007 bis 2010 war sie wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Gruppe von Prof. Klapoetke und promovierte 2010 in anorganischer Chemie. Seit 2011 arbeitet sie am Fraunhofer-IPM in Freiburg und beschäftigt sich dort mit Materialsynthesen und –charakterisierung.
Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein schloss 1997 sein Studium der Elektrotechnik an der Universität Kassel ab. Er ist Leiter der Abteilung Gas- und Prozessmesstechnik am Fraunhofer IPM und hat die Professur für Gassensorik an der Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik inne.
Danksagung
Die Autoren danken Dr. Yuechen Jia für die REM-Analyse, Dr. Marcel Werner für DLS-Messungen, Dr. Thilo Ludwig für XRD, Andreas Kürzinger für die Montage der Pellistoren und Laura Engel für die Unterstützung bei der Tintenabscheidung.
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