1 Überblick über die Sensorik

Seite 199
396 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.4 Chemische Sensoren und Katalysatoren: Ähnlichkeiten und Unterschiede im Überblick 397
gie aufgebracht werden muß, bevor das Molekül in einen "desorptionsbereiten" Zustand
gelangt. Da es sich bei der Desorption um einen der Adsorption entgegengesetzten
Vorgang handelt, ist dieser endothermer Natur, d.h. Wärme wird verbraucht (Band 1,
Abschnitt 5.1).
Die energetischen Verhaltnisse für eine chemische Reaktion mit und ohne Katalysator
sind in den Abb. 8.1.3-1 und 2 schematisch dargestellt.
Es wird wiederum deutlich, daß sowohl die Aktivierungsenergien für die Ad- und Desorption
als auch für die katalytische Reaktion wesentlich niedriger liegen als die Aktvierungsenergien
für die nichtkatalysierte Reaktion.
Es besteht ein indirekter Zusammenhang zwischen Energetik und Kinetik heterogen
katalysierter Reaktionen. Die Aktivität eines Katalysators hängt vom Adsorptionszustand
des Reaktanten ab. Eine schwächere adsorptive Bindung führt zu einer höheren
Aktvität; andererseits ist jedoch eine aktivierte Adsorption nötig, damit das Molekül
überhaupt in den reaktionsfähigen Zustand gelangt. Verallgemeinert kann festgestellt
werden, daß weder eine zu geringe noch eine zu starke adsorptive Bindung des Reaktanten
seine Reaktionsfähigkeit herbeiführen kann, sondern daß eine gewisse mittlere Bindungsstärke
notwendig ist, die es dem Molekül ermöglicht, mit einem zweiten Molekül
zum Zwecke der Reaktion mit genügender Geschwindigkeit in Wechselwirkung zu treten.
Unter Umständen kann bei einem Katalysator das entstehende Produkt oder ein sich ausbildender
Übergangszustand zu stark an die katalytische Oberfläche gebunden sein, so
daß seine Weiterreaktion beziehungsweise Desorption wegen der dafür erforderlichen
hohen Aktivierungsenergie erschwert und damit der Katalysator "vergiftet" wird.
8.1.4 Chemische Sensoren und Katalysatoren:
Ähnlichkeiten und Unterschiede im Überblick
Die Einsatzbedingungen von Katalysatoren und chemischen Sensoren sind sehr unterschiedlich:
Katalysatoren werden mit definierten Ausgangsstoffen betrieben und sollen
möglichst nur ein Endprodukt liefern. Chemische Sensoren sollen in beliebig zusammengesetzten
Mischungen von Atomen und Molekülen möglichst nur eine Komponente
selektiv nachweisen. Daher sind die Anforderungen an eine vernachlässigbare Kontaminationsanfälligkeit
bei chemischen Sensoren erheblich höher als bei Katalysatoren.
Bei letzteren wird häufig erheblicher Aufwand bei der Reinigung der Ausgangsstoffe
betrieben für den Fall, daß Katalysatorgifte bei den auf Umsatz optimierten Katalysatoren
vermieden werden müssen.
Bild 8.1.4-1:
Bildungsrate B der CO-Moleküle (Bruchteil von CO 2 -Molekülen pro CO-Molekül,
die auf die Oberfläche treffen) als Funktion der Temperatur für verschiedene Partialdruckverhältnisse
P(O 2 )/P(CO) an einem ZnO-Katalysator.
Umsätze und Selektivität zeigen charakteristische Ähnlichkeiten: Bei Katalysatoren ist
die Optimierung des selektiven Reaktionsumsatzes bei minimalen Prozeßkosten entscheidend.
Bei Sensoren ist die Optimierung des selektiv ausgelösten Signals bei zuverlässiger
Reproduzierbarkeit entscheidend.
Die Einstellung der optimalen Betriebstemperatur ist in beiden Fällen wichtig. Wie das
nachfolgende Bild 8.1.4-1 am Beispiel der CO-Oxidation über ZnO-Einkristall-Katalysatoren
zeigt, findet man typische Temperaturmaxima in der katalytischen Aktivität, die
durch die konkurrierenden Einflüsse von möglichst hohen Bedeckungsgraden der Ausgangsstoffe
(hier CO und O 2 ) und andererseits möglichst hohen Desorptionsraten der
Produkte (hier CO 2 ) bestimmt sind.
Wie das nachfolgende Bild 8.1.4-2 zeigt, werden auch für chemische Sensoren charakteristische
Maxima in der Ansprechtemperatur gefunden.