Dynamische Methoden für elektrochemische Gassensoren (DynaSens)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos; Dr. Jens Zosel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321264754

Das dynamische Verhalten elektrochemischer Sensorstrukturen auf festen Elektrolyten (wie z.B. YSZ) wird von einer Reihe kinetisch kontrollierter Prozesse bestimmt. Die wichtigsten sind Gasphasendiffusion, Analytadsorption, Oberflächendiffusion, Ladungsdurchtritt, Ladungstransport in Elektrolyt und Elektrode, Konkurrenzreaktionen (z. B. Katalyse), Speicherprozesse und Desorption von Reaktionsprodukten. Die optimale Ausnutzung dieser Prozesse für eine neue Generation elektrochemischer Hochtemperatursensoren ist von großem akademischem und technischem Interesse. Bislang wurden vor allem neue Materialien für potentiometrische, amperometrische, coulometrische und impedimetrische Sensorprinzipien untersucht und weiterentwickelt, an denen sich bei konstanter Konzentration des Analyten ein thermodynamisch oder kinetisch kontrolliertes Gleichgewicht ausbildet, das zu einem konstanten Sensorsignal führt. Neueste Forschungsarbeiten zeigen demgegenüber, dass auch durch Einsatz dynamischer Verfahren der Elektrodenpolarisation abseits vom Gleichgewicht unter Kombination der o.g. Messprinzipien neue Anwendungsfelder durch die Verbesserung von Sensitivität, Selektivität und Stabilität erschlossen werden können. Dabei ist bislang weitgehend unklar, wie einzelne der o.g. Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Elektrode/Sensor und Gasphase das dynamische Verhalten im Detail bestimmen und welche Wechselwirkungen zwischen diesen Prozessen untereinander sowie zu den Elektrodenmaterialien, zur Elektrodenstruktur und -morphologie sowie zum Sensordesign bestehen. Ziel des Vorhabens ist es daher, o.g. Parameter zu untersuchen, mit dem Gasaustauschverhalten sowie mit der katalytischen Aktivität zu korrelieren und mit dynamischen elektrochemischen Methoden wie potentio- und galvanodynamischer Pulspolarisation, differentieller Pulsvoltammetrie und Impedanzspektroskopie zu kombinieren, so dass im Ergebnis die wesentlichen signalbildenden kinetischen Prozesse und ihre Wechselbeziehungen untereinander sowie zum Struktur- und Elektrodendesign beschrieben werden können. Diese sollen dann in ein Modell einfließen, das langfristig eine Optimierung dynamischer elektrochemischer Sensoren für verschiedene Applikationen und Zielgase ermöglicht. Die umfangreichen Erfahrungen der beiden Antragsteller bei der Präparation von Hochtemperatursensoren, der Materialcharakterisierung und bei der Entwicklung neuer elektrochemischer Messverfahren ermöglichen somit ein gemeinsames Vorgehen, ausgehend vom naturwissenschaftlichen Grundverständnis neue ingenieurwissenschaftliche Ansätze für dynamische Hochtemperatur-Gassensoren zu schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen