Ligandenverknüpfte Platin-Nanopartikel: Ein neues potentialreiches Material für die katalytische Gassensorik

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Bäumer; Professor Dr.-Ing. Walter Lang
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299483494

In Zusammenarbeit der Institute IMSAS und IAPC der Uni Bremen wurde ein neuartiges Konzept für katalytische Mikrogassensoren entwickelt, basierend auf durch Liganden stabilisierte Platin-Nanopartikel. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass die neuen katalytischen Materialien ein hohes Potential aufweisen. Es konnte nachgewiesen werden, dass Verbesserungen im Ansprechverhalten des Sensors und in der Stabilität erreicht werden können. Die Empfindlichkeit der auf dem Konzept basierenden Sensoren ist zudem, trotz geringer Mengen katalytisch aktiven Materials, sehr hoch. Die Materialien bestehen aus katalytisch aktiven Platin Nanopartikeln, die durch bifunktionale organische Liganden ein poröses Netzwerk bilden. Als Chip wird ein Membransensor mit hoher thermischer Entkopplung verwendet, welcher Thermosäulen mit einem hohen Seebeck-Koeffizienten enthält. Die Funktionsweise des Gassensors basiert auf der Detektion von Reaktionswärme am Katalysator. Die Ergebnisse der Vorarbeiten weisen darauf hin, dass durch den Ligand die Partikel auf Abstand gehalten werden. Damit übernehmen die Liganden die Rolle, die ein Träger bei konventionellen Katalysatoren hat. Jedoch lassen sich wesentlich höhere Partikeldichten als mit anorganischen Trägermaterialien erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist, dass das organische Gerüst nur einen geringen Teil der Gesamtmasse einnimmt. Durch Kombination des Mikrosensoransatzes mit ligandenverknüpften Netzwerken wurde der Grundstein für ein neuartiges, katalytisches Gassensorkonzept entwickelt, welches große Vorteile gegenüber keramikgeträgerten Nanopartikeln aufweist. Trotz der ersten Erfolge, die mit ligandenverknüpften Netzwerken katalytischer Nanopartikel erreicht werden konnten, sind ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften noch ungeklärt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der bis jetzt verwendete Pool an bifunktionellen Liganden noch gering ist und nur eine Größe von Nanopartikeln untersucht wurde. Zudem ist durch den aktuellen Aufbau weder eine post noch eine insitu Charakterisierung der Materialien möglich. Daher ist das volle Potential ligandenverknüpfter, katalytischer Nanopartikel noch völlig unbekannt, maßgeschneiderte Materialien stehen auf Grund des geringen Wissensstands für die Gassensorik noch nicht zur Verfügung. Im beantragen Forschungsvorhaben soll daher fundamentales Wissen über ligandenverknüpfte Nanopartikelnetzwerke und deren Applikation in der katalytischen Gassensorik entwickelt werden. Aufbauend auf den Vorarbeiten wird die Selektivität und Stabilität in der katalytischen Wasserstoffsensorik systematisch untersucht. Zum Erreichen dieses Ziels sollen neue Materialien entwickelt und ein Reaktor gebaut werden, der insitu spektroskopische Untersuchungen ermöglicht und als thermoelektrischer Mikrosensor einsetzbar ist. Grundlegende Mechanismen des neuen katalytischen Materials sollen während der Katalyse erforscht werden, um durch das erlangte Wissen gezielt die Eigenschaften zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Sebastian Kunz