Untersuchung von porösen Nanopartikelstrukturen unter Beleuchtung für die Anwendung als Gassensoren

• Antragsteller: Dr. Nicolae Barsan; Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419896563

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unsere Langzeitvision "Photologic" ist die Realisierung eines einfachen und kompakten Sensorsystems, welches bei Raumtemperatur betrieben wird und die eindeutige Detektion unterschiedlicher Gase in einem Gasgemisch ermöglicht. Das Konzept basiert auf einer gestapelten mehrschichtigen Nanopartikelstruktur unter Beleuchtung, bei der einzelne Schichten selektiv mit geeigneten Wellenlängen aktiviert werden. Während die Vorgänge bei kommerziellen resistiven Gassensoren, die bei Temperaturen ab 200 °C betrieben werden, gut untersucht und optimiert sind, sind die Auswirkungen der Beleuchtung auf poröse Nanopartikelschichten weitestgehend unbekannt und müssen für die Gassensorik und andere (photo-)katalytische Prozesse in porösen Partikelstrukturen grundlegend untersucht werden. Im Gegensatz zu einem beheizten Sensor, bei der die Temperatur in der Sensorschicht weitestgehend homogen ist, nimmt die Lichtintensität innerhalb einer beleuchteten Schicht gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz ab. Somit hängen die Sensoreigenschaften von der tatsächlichen Position innerhalb der Schicht ab. Ziel unseres Antrags ist es, grundlegend zu verstehen, wie sich diese inhomogene Beleuchtung innerhalb der porösen Partikelschicht verbreitet und wie dies die Mechanismen der Gasdetektion im Vergleich zu den bekannten Effekten in beheizten Sensoren beeinflusst. Des Weiteren ist eine unterschiedliche Oberflächenchemie zu erwarten, da die Aktivierung nicht thermisch, sondern über Licht erfolgt. Die wichtigsten Schritte, die sich gegenseitig ergänzen und in der Optimierung unterstützen, sind dabei zum einen die Herstellung geeigneter Sensorschichten und zum anderen die Untersuchung deren Eigenschaften als Gassensor. Neben der morphologisch Charakterisierung und Widerstandsmessungen in kontrollierter Gasatmosphäre, werden dazu fortgeschrittene Methoden wie z.B. UV-vis-Spektroskopie, diffuse Reflexions-Infrarotspektroskopie (DRIFTS), Leitfähigkeitsmessungen und Hauptkomponentenanalyse (PCA) eingesetzt. Das erlangte Wissen ermöglicht ein Proof-of-Concept unseres Photologic Devices.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Control of Porous Layer Thickness in Thermophoretic Deposition of Nanoparticles. Materials, 14(9), 2395.
  Schalk, Malte; Pokhrel, Suman; Schowalter, Marco; Rosenauer, Andreas & Mädler, Lutz
  
• Investigation on the influence of light on metal oxide gas sensors, Bachelor Thesis 2022, University of Tübingen.
  jan Hanenberg
  
• Proof of Concept for Operando Infrared Spectroscopy Investigation of Light-Excited Metal Oxide-Based Gas Sensors. The Journal of Physical Chemistry Letters, 13(16), 3631-3635.
  Wang, Xiao-Xue; Junker, Benjamin; Ewald, Carolin; Weimar, Udo; Guo, Xin & Barsan, Nicolae
  
• Resistance Measurements and photocatalytic Behaviour of WO3 under UV/Vis irradiation, Master Thesis 2022, University of Tübingen.
  Markus Fröhlich
  
• Multivariate Analysis of Light-Activated SMOX Gas Sensors. ACS Sensors, 9(3), 1584-1591.
  Junker, Benjamin; Kobald, Arne; Ewald, Carolin; Janoschek, Peter; Schalk, Malte; Weimar, Udo; Mädler, Lutz & Bârsan, Nicolae