Thermoelektrische Gassensoren auf Basis fester Ionenleiter (Entropiesensoren)

• Applicants: Professor Dr. Jürgen Janek; Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation ; Measurement Systems
• Term: from 2007 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 33749983

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Es gibt heute eine Vielzahl von Gassensoren, die auf verschiedenen physikalisch-chemischen Funktionsprinzipien beruhen. Zu den besonders stabilen und zuverlässigen Sensortypen gehören potentiometrische (EMK-)Sensoren, deren Messsignal eine eindeutige thermodynamische Funktion der Konzentration (einer Aktivität) eines Analyten ist – allerdings immer relativ zu einer Referenzaktivität im Sinne eines „Zweikammersensors“, was die Konstruktion aufwändig macht. Einfachere resistive Sensoren, deren Messsignal auf dem Einbau z. B. von Sauerstoff beruht, liefern ebenso eindeutige Signale, sie sind aber empfindlich gegen Alterungseffekte. Die im abgeschlossenen Projekt untersuchten nichtisothermen potentiometrischen Sensoren stellen eine besondere Form des klassischen EMK-Sensors dar. Der Sensor wird an seinen beiden Elektroden, die sich in der gleichen zu untersuchenden Atmosphäre befinden, einer Temperaturdifferenz ausgesetzt. Damit wird – was schon Carl Wagner theoretisch beschrieben hat – letztlich dann die Entropie des Analyten in der Gasphase gemessen. Es gelang den Antragstellern, dieses Prinzip des „Entropie-Sensors“ erfolgreich sowohl am Beispiel von Sauerstoff als auch von Wasserstoff zu demonstrieren. Letzteres Prinzip führte auch zu einer Schutzrechtsanmeldung. Wenngleich diese Demonstration aus der Sicht der Antragsteller durchaus spektakulär ist, so gab es doch auch unerwartete Schwierigkeiten: So wichen die Messsignale bei niedrigen Aktivitäten der Analyten stark von den erwarteten Werten ab. Hierzu konnte eine erste Erklärung gefunden werden. Zudem war die Gleichgewichtseinstellung an den Elektroden besonders bei niedrigeren Temperaturen sehr langsam, was ebenso den Nutzen als Sensor einschränkt. Insgesamt konnte die grundsätzliche Funktion direkter thermoelektrischer Sensoren (nichtisotherme Potentiometrie, Entropiesensoren) erfolgreich demonstriert werden. Es bleibt aber Raum für eine weitergehende Untersuchung der beschriebenen Schwierigkeiten.

Publications

• A „Real“ Direct Thermoelectric Gas Oxygen Sensor Based on YSZ-First Results of an Entropy Sensor, DsCh-Jahrestagung 2008 der Fachgruppe Angewandte Elektrochemie, „Electrochemistry: Crossing Boundaries“, 6.-8.10., 2008, Gießen (Deutschland)
  T. Röder, U. Röder, F. Rettig, K. Sahner, R. Moos, J. Janek
  
• Direct Thermoelectric Oxygen Sensor Based on YSZ, Proceedings Eurosensors XXII, 7.-10.9., 2008, M3C/1, p. 569
  U. Röder, F. Rettig, K. Sahner, T. Röder, J. Janek, R. Moos
  
• A Thermoelectric Gas Sensor – First Results of an Entropy Sensor, Bunsen-Tagung, 21.-23-05., 2009, Köln (Deutschland)
  T. Röder, U. Röder, F. Rettig, K. Sahner, R. Moos, J. Janek
  
• Dependence of the Thermopower of a Perovskite-Type proton Conductor on the Hydrogen Partial Pressure, Solid State Ionics 17, 28.6.-3.7., 2009, Toronto (Kanada), p. 250
  U. Röder-Roith, F. Rettig, K. Sahner, T. Röder, J. Janek, R. Moos
  
• Thick film solid electrolyte oxygen sensor using the direct thermoelectric effect, Sensors and Actuators B, 136, 530-535 (2009)
  U. Röder-Roith, F. Rettig, T. Röder, J. Janek, R. Moos, K. Sahner
  
• YSZ Thick Film Oxygen Gas Sensor Using the Direct Ionic Thermoelectric Effect, Sensor 2009, Proceedings of the 14th International Conference, 26.-28.5., 2009, Nürnberg (Deutschland), Vol. II, p.129-132
  U. Röder-Roith, F. Rettig, K. Sahner, T. Röder, J. Janek, R. Moos
  
• Perovskite-type proton conductor for novel direct ionic thermoelectric hydrogen sensor, Solid State Ionics, (2010)
  U. Röder-Roith, F. Rettig, K. Sahner, T. Röder, J. Janek, R. Moos