1 Überblick über die Sensorik

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398 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.4 Chemische Sensoren und Katalysatoren: Ähnlichkeiten und Unterschiede im Überblick 399
Metallorganische Verbindungen werden für heterogene Katalysatoren selten, für Sensoren
zunehmend häufiger eingesetzt. Materialien der Biosensoren sind z.T. als Biokatalysatoren
(Enzyme) bekannt, so daß auch hier Ähnlichkeiten zu finden sind.
Die Grundprobleme der atomarer Strukturen und der Kinetik von Elementarschritten
der Festkörper/Gas-Wechselwirkung sind in der chemischen Sensorik und heterogenen
Katalyse weitgehend identisch. Sie lassen sich einteilen in
Bild 8.1.4-2:
Relative Leitwertänderung ∆G/G o bei der Wechselwirkung von l00 ppm CO in
Luft mit SnO 2 (Abschnitt 8.5) für verschiedene Edelmetalldotierungen.
In dem hier vorliegenden Fall führt der CO-Nachweis am SnO 2 -Sensor zur Bildung
von CO 2 und ist damit direkt mit der katalytischen Aktivität des Sensors gekoppelt.
Unter gleichen Bedingungen wird beispielsweise an einem Metalloxid-Sensor gefunden,
daß sich relative Leitfähigkeitsänderungen ergeben zu
Dagegen ist die katalytische Bildungsrate von CO 2 am gleichen Sensor über
gegeben. Bei gleichen molekularen Reaktionsmechanismen sind die formalen Beschreibungen
des Reaktionsumsatzes (erfaßt über die CO 2 -Bildungsrate B) und die
Sensorempfindlichkeit (erfaßt über die relativen Leitwertänderungen ∆G/G o bezogen
auf den Standardzustand bei P CO,o und P H2O,o ) unterschiedlich.
Die eingesetzten Werkstoffe sind z.T. sehr ähnlich: Katalysatoren sind üblicherweise
aus Substraten wie Al 2 O 3 , SiO 2 oder TiO 2 aufgebaut, die durch Oxide chemisch modifiziert
werden. Zur Modifizierung werden Oxide von Rh, Ce, Mo, Cr, Co, o.ä. eingesetzt.
Die Katalysatoren werden meist mit Promotoren wie Pt, Rh, Ru, Ni, Pd o.ä.
optimiert. Daneben finden als Elektrokatalysatoren auch Festkörperelektrolyte, beispielsweise
auf der Basis von ZrO 2 oder CeO 2 Verwendung. Die Materialien für eine
Reihe von chemischen Sensoren sind diesen weitgehend ähnlich (vgl. Tabelle 8.1.1-3).
Metallorganische Verbindungen werden für heterogene Katalysatoren selten, für Sen-
I. Statische Aspekte:
a) Chemische Zusammensetzung der Oberfläche und des Volumens,
b) geometrische und elektronische Struktur der Oberfläche und des Volumens,
c) Bedeckungsgrade adsorbierter Teilchen,
d) Konfiguration adsorbierter Teilchen untereinander und gegenüber dem Substrat,
e) Bindungsenergien adsorbierter Teilchen,
f) Wechselwirkungsenergien zwischen den adsorbierten Teilchen,
g) Ladungsverteilung im Adsorbatkomplex und Ladungstransfer mit dem Volumen
und
h) Energie und Energieverteilung von Chemisorptions-induzierten Orbitalen.
II: Dynamische Aspekte:
i) Bewegungszustände des Adsorbatkomplexes,
j) Oberflächendiffusion,
k) Mechanismus und Kinetik der chemischen Reaktion an der Oberfläche,
l) Adsorptions- und Desorptionskinetik und
m) Stofftransportvorgänge.
8.1.5 Charakterisierung von Grenzflächen
In den vorangegangenen Abschnitten wurde deutlich, daß bei chemischen Sensoren
häufig die Grenzfläche zwischen dem zu messenden Medium und der Festkörperoberfläche
des Sensors die entscheidende Rolle spielt. Damit kommt der obersten atomar
oder molekular belegten Schicht auf dem Sensor eine besondere Bedeutung zu. Die Bilder
8.1.5-1 und 2 demonstrieren dieses noch einmal am Beispiel von Halbleiter-Gassensoren
(Abschnitt 8.5) und Biosensoren.