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