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Highly porous 3-dimensional aeromaterials for energy-efficient, ultra-fast and selective gas sensors

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Term from 2019 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 423187260
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Das Kernthema des Antrages lag in der Entwicklung von energieeffizienten, ultraschnellen und hoch sensitiven Gassensoren auf Basis von Aeromaterialien aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanomaterialien. Hierzu wurde im Rahmen des Projektes der nasschemische Infiltrationsprozess zur Herstellung von Aeromaterialien aus 1D als auch 2D Kohlenstoffnanomaterialien optimiert. Aufbauend auf den dabei gewonnen Erkenntnissen ist es nun möglich auch Aeromaterialien aus weiteren 2D Nanomaterialien, wie beispielsweise MXenen, mit definierten Parametern herzustellen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der nasschemische Infiltrationsansatz auch die Herstellung von Aeromaterialkompositen mit maßgeschneiderten Eigenschaften ermöglicht, wie beispielsweise aus SiO2 und reduziertem Graphenoxid. Die Entwicklung solcher Komposite erweitert dabei das Eigenschaftsspektrum der Materialklasse der Aeromaterialien noch einmal deutlich und ermöglicht durch die Kombination verschiedener Materialien komplett neue Funktionalitäten. Diese Arbeiten dienen als Grundlage für ein Teilprojekt eines derzeit in Planung befindlichen neuen interdisziplinären SFBs an der CAU Kiel. Über das Projektziel hinaus, konnten zudem neue elektrisch-leitfähige Hydrogel/Graphen-Komposite basierend auf Aeromaterialien entwickelt werden, die die Herstellung neuartiger (Bio)-Aktoren ermöglichen, deren Potential und grundlegendes Verhalten und Potential im Rahmen eines DFG Antrages im Detail untersucht und simuliert werden soll. Des Weiteren konnte im Rahmen des Projektes die Kernfrage „Wie ist das thermisch-elektrische Verhalten eines Materials mit einer gegenüber Luft vernachlässigbaren Wärmekapazität?“ beantwortet werden. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass sich mit Aeromaterialien aus Graphen elektrisch induzierte und reversible (~10 Hz) Gasexplosionen erzeugen lassen. Durch dieses Verfahren können so rapide und DFG Abschlussbericht: Hochporöse 3-dimensionale Kohlenstoff-Aeromaterialien für energieeffiziente, ultraschnelle und selektive Gassensoren wiederholbare Volumenausdehnung erzeugt werden, ohne, dass die Aeromaterialien dabei, selbst nach mehr als 100000 Heiz-Zyklen, beschädigt werden. Neben einer Anwendung in der Sensorik, ermöglicht das entwickelte Verfahren zudem die Herstellung neuer Aktoren mit hohen gravimetrischen Leistungsdichten und wurde bereits zum Patent eingereicht. Es ist gelungen im Rahmen des Projekts einen CVD-Minireaktor für die Herstellung von Aeromaterialien zu entwickeln. Erste Synthesen zeigten, dass eine Synthesereaktion durchgeführt werden kann. Für eine insitu Analyse der Wachstumskinetik wurde der Reaktor in der XRD-Anlage ausgerichtet und kalibriert sowie die Ausgangsdaten des Templats und des Aeromaterials vermessen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung stimmen mit zuvor gemessenen Werten überein. Aufgrund von pandemiebedingten Lieferverzögerungen wird der eigentliche in-situ Versuch nach Projektende im Mai 2022 durchgeführt. Zudem konnten die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen des Aeromaterials gezeigt werden. Durch eine defektbehaftete Schichtstruktur sind physikalische Eigenschaften, wie Temperaturbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit, beeinflusst. Durch eine Hochtemperaturbehandlung in inerter Atmosphäre wurden beide Eigenschaften signifikant verbessert. Außerdem konnte bei der Herstellung von Hybridstrukturen ein geringer Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit festgestellt werden, sodass die Zugabe von Zusatzstoffen das Maßschneidern auf die gewünschte Einsatzmöglichkeit ein elektrisch leitfähiges Aeromaterial liefert. Aufbauen auf diesen Erkenntnissen ließen sich innovative Messmethoden zur Gasdetektion basierend auf den neuartigen Eigenschaften der Aeromaterialien und Aeromaterialkompositen entwickeln. Am effektivsten war hierbei die Umhüllung von ZnO Mikrodrähten durch eine nanoporöse Membran aus wenigen Graphenoxid-lagen, die eine deutliche Selektivitätserhöhung gegenüber Wasserstoffgas (H 2) im Vergleich zu pristinem ZnO ermöglichte. Des Weiteren wurden erste Arbeiten zur Realisierung einer thermischen Desorptionspektroskopie auf Basis des schnellen Aufheizverhaltens der Aeromaterialien bei geringer elektrischer Leistung durchgeführt, die jedoch noch nicht zum gewünschten Ergebnis geführt haben. Dies sollte in zukünftigen Forschungsprojekten, z.B. in Kooperation mit elektrotechnischen Arbeitsgruppen, weiter erforscht werden.

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