Ligand-Linked Platinum Nanoparticles: A new Material for gas sensors with high potential
Organic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
Final Report Abstract
Verlässlich schnelle und empfindliche Sensorik für Wasserstoffgas stellt mit Blick auf dessen zunehmende Bedeutung als nachhaltiger Energieträger ein ebenso zunehmend wichtiges Problem dar, das für den sicheren Einsatz von Wasserstoff in Anwendungen von Industrie, Verkehr oder Haustechnik neue Lösungsansätze erfordert. Mittels Mikrotechnologie hergestellte, kleine Sensoren, die schon geringe Wasserstoffmengen in der Luft über die Reaktionswärme nachweisen, die bei deren Verbrennung entsteht, stellen einen vielversprechenden Ansatz dar. Überragende Leistungsdaten zeigten hierbei solche erstmals von den Antragstellern hergestellte Mikrosensoren, in denen außergewöhnliche, nanostrukturierte Katalysatoren die Verbrennung von Wasserstoff in Luft förderten. Diese chemisch herstellbaren Katalysatoren bestehen aus Platin-Nanopartikeln, die mittels kleiner, stabiler organischer Moleküle (“Liganden”) netzwerkartig auf Abstand gehalten werden, damit Wasserstoffmoleküle beständig die Oberfläche der Platinpartikel erreichen können, wo sie zur Verbrennung gespalten werden. Im DFG-Vorhaben sollte ein verbessertes Verständnis physikalischer und chemischer Grundlagen des oben beschreibenen Sensortyps erarbeitet werden. Darauf aufbauend sollten die mikrotechnologisch hergestellte Sensorgrundlage und der Katalysator und die Aufbringung des Katalysators auf den Sensor optimiert werden. Hinsichtlich des Katalysators ergab die Projektarbeit, dass aromatische primäre Diamine, also stabile Kohlennstoffringstrukturen mit Stickstoffgruppen (NH2) an den Enden zur chemischen Bindung an Platin, am besten als Liganden geeignet sind. Es konnten erstmals erfolgreich verschiedene, sich hinsichtlich Zahl und Anordnung der Kohlenstoffringe unterschiedene Moleküle für die Vernetzung von Platin-Nanopartikeln eingesetzt werden. Ektronenmikroskopie zeigte, dass innerhalb der Netzwerke auf Nanometerskala die Abstände zwischen benachbarten Platinpartikel sich tatsächlich über die Wahl eines Liganden entsprechender Länge einstellen ließen. Damit ergibt sich die Aussicht, die Zugänglichkeit zur Oberfläche der Platinpartikel für unterscheidlich große Moleküle aus dem zuströmenden Gas mit der Wahl des passenden Liganden einzustellen. Im Projekt zeigte sich, dass die Selektivität des Sensors, also seine Empfindlichkeit auf Wasserstoff gegenüber der auf größere Moleküle wie Kohlenwasserstoffverunreinigungen, die ebenfalls durch Platin katalsysiert verbrennen können, am höchsten war, wenn die kürzesten Liganden zur Netzwerkbidlung eingesetzt wurden. Hinsichtlich der Sensorgrundlage wurden im Projekt durch Modellrechnungen und experimentelle Tests an mehreren Sensordesing-Entwürfen die Materialwahl und insbesondere die Anordnung von Heizelementen und Temperaturfühlern (Thermoelementen) so weit optimiert, dass der neue Sensor gegenüber den Vorarbeiten sowohl eine deutlich erhöhte Empfindlichkeit und verminderte Leistungsaufnahme aufweist als auch eine viel gleichmäßigere Verteilung der Wärme im Katalysator erzielt. Da die Katalysatoren zum Sensorbetrieb auf etwa 100 °C erhitzt werden müssen, ist eine gleichmäßige Verteilung der Wärme entscheidend, um insbesondere die Liganden nicht punktuell zu heiß und damit instabil werden zu lassen. Erstmals konnten in diesem Projekt Untersuchungen mit Infrarotspektroskopie (FTIR) direkt am arbeitenden Sensor durchgeführt werden, um zu untersuchen, ob die Liganden im Dauerbetrieb des Sensors stabil bleiben. Dazu wurde ein besonderer Miniatur-Reaktor aufgebaut, der in die Messkammer eines FTIR-Spektrometers passt und es mit Hilfe des neuen Sensordesigns erlaubt, dass der Infrarotstrahl die auf dem Sensor aufbegrachte Katalysatorschicht passiert. Überraschenderweise zeigte sich, dass, obwohl das Sensorsignal im Dauerbetrieb über mehrere Tage eine gute Langzeitstabilität aufwies, sich ein Großteil der mit dem Katysator aufgebrachten Liganden schon vor dem Dauerbetrieb bei einer zur Aktivierung des Kataysators nötigen Erwärmung des Sensors zersetzte und seine Fragmente verdampften. Leider konnte im Projektverlaubf nicht mehr aufgeklärt werden, welche molekularen Strukturen der Ligandenreste die Partikelnetzwerke nach längerem Betrieb noch aufrecht erhalten. So bleiben nach dem Projekt neben einer sehr erfolgreichen Verbesserung der Sensor-Leistungsdaten offene Fragen, die einer technischen Anwendung noch im Wege stehen.
Publications
- Catalytic Micro Gas Sensor with Excellent Homogeneous Temperature Distribution and Low Power Consumption for Long-Term Stable Operation, Eurosensors 2018, Proceedings 2 (2018) 927
A.S. Pranti, D. Loof, S. Kunz, M. Bäumer, W. Lang
(See online at https://doi.org/10.3390/proceedings2130927) - Design and Fabrication Challenges of a Highly Sensitive Thermoelectric-Based Hydrogen Gas Sensor, Micromachines 10 (2019) 650 (17 Seiten)
A.S. Pranti, D. Loof, S. Kunz, V. Zielasek, M. Bäumer, W. Lang
(See online at https://doi.org/10.3390/mi10100650) - Highly Sensitive and Selective Hydrogen Gas Sensor with Platinum Nanoparticles Linked by 4,4"-Diamino-P-Terphenyl (Dater), 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (Transducers & Eurosensors XXXIII) (2019)
A.S. Pranti, D. Loof, S. Kunz, V. Zielasek, M. Bäumer, W. Lang
(See online at https://doi.org/10.1109/transducers.2019.8808479) - Ligand-Linked Nanoparticles-Based Hydrogen Gas Sensor with Excellent Homogeneous Temperature Field and a Comparative Stability Evaluation of Different Ligand-Linked Catalysts, Sensors 19 (2019) 1205 (21 Seiten)
A.S. Pranti, D. Loof, S. Kunz, V. Zielasek, M. Bäumer, W. Lang
(See online at https://doi.org/10.3390/s19051205) - Characterization of a highly sensitive and selective hydrogen gas sensor employing Pt nanoparticle network catalysts based on different bifunctional ligands, Sensors and Actuators B – Chemical 322 (2020) 128619 (11 Seiten)
A.S. Pranti, D. Loof, S. Kunz, V. Zielasek, M. Bäumer, W. Lang
(See online at https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128619) - Synthesis and Characterization of Ligand-Linked Pt Nanoparticles: Tunable, Three-Dimensional, Porous Networks for Catalytic Hydrogen Sensing, Chemistry Open 10 (2021) 697-712
D. Loof, O. Thüringer, M. Schowalter, C. Mahr, A.S. Pranti, W. Lang, A. Rosenauer, V. Zielasek, S. Kunz, M. Bäumer
(See online at https://doi.org/10.1002/open.202000344)
