Kapazitives Gasdosimeter zur Detektion kleinster Mengen kanzerogener Spurengase mit gasadsorbierenden MFI-Zeolithen als sensitive Schichten

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Daniela Schönauer-Kamin
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533084795

Impedimetrische Gasdosimeter lassen sich beschreiben als Passivsammler mit simultaner Auslese der beladungsabhängigen elektrischen Impedanz. Dank der zeitkontinuierlichen Detektion kleinster exponierter Dosen sind sie vielversprechend für die Gefährdungsbeurteilung gesundheitsschädlicher Stoffe. In diesem Projekt gilt es zu klären, ob und wie sich das Konzept eines kapazitiven Gasdosimeters mit gasadsorbierenden MFI-Zeolithen zur präzisen Detektion kleinster Mengen kanzerogener Spurengase, wie sie beispielsweise nach GC-Säulen auftreten, eignet. ZSM-5-Zeolithe zeigen das Potential zur dosimeterartigen kapazitiven Detektion kanzerogener Spurengase und anhand der Modellsubstanzen Acrylnitril, Epichlorhydrin und Trichlorethen wird experimentell sowie simulativ die Sensorcharakteristik und der Sensormechanismus erforscht. Zur Analyse der Ursachen des dosimeterartigen Sensoreffekt sowie der erforderlichen Materialeigenschaften werden verschiedene In-situ- und Operando-Charakterisierungsmethoden der Adsorber-Analyt-Wechselwirkung sowie der resultierenden beladungsabhängigen elektrischen Eigenschaften der Adsorber kombiniert. Systematische Variationen lassen geeignete Materialzusammensetzungen, Betriebsparameter und Sensordesigns für selektive dosimeterartige Sensoren oder hochempfindliche Universaldosimeter erkennen. Zudem sind Potentiale aber auch Grenzen des Detektionsprinzips zur Expositionsüberwachung kanzerogener Spurengase in Luft zu evaluieren. Nach der Reproduktion initialer Ergebnisse von Cu-ZSM-5 zur Epichlorhydrin-Detektion mit nun definierter Spurengasdosierung gilt es durch Modifikationen der Gerüststruktur sowie von Art und Konzentration ausgetauschter Metallionen aussichtsreiche Zeolithe zur kapazitiven Gasdosimetrie mindestens einer Modellsubstanz zu identifizieren. Der Projektfokus liegt dann auf der Erarbeitung ihrer Sensorcharakteristik sowie dem zugrundeliegenden Detektionsmechanismus durch die Korrelation der von der Exposition abhängigen chemischen Sorptionsvorgänge mit den elektrischen Eigenschaften. Zum Verständnis der Sensorcharakteristik und der Erarbeitung geeigneter Betriebs- und Regenerationsstrategien tragen zum einen Simulationen der bei geringen Gasgeschwindigkeiten diffusionslimitierten Gassorption, des verbleibenden Adsorptionsvermögens sowie des Einflusses der Betriebsparameter und zum anderen kombinierte operando-IS-DRIFTS der sensitiven Schichten während der Analytadsorption und -desorption zur Aufklärung der chemischen und elektrischen Vorgänge bei. Daraus werden Betriebsstrategien für eine selektive oder nicht-selektive Detektion abgeleitet, d.h. förderliche Anströmverhältnisse, Gaszusammensetzungen und Betriebstemperaturen für die Detektions- sowie Regenerationsphase. Abschließend wird ein erster Funktionsnachweis zur selektiven Spurengasdetektion als Gassensor oder zur nicht-selektiven Detektion gaschromatographisch aufgetrennter Mischungen der Spurengase erbracht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen