1 Überblick über die Sensorik

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436 8.3 Elektrochemische Sensoren mit ionensensitiven Elektroden 8.4 Sensoren mit Feststoffelektrolyten 437
Die chemisch erzeugte Dipolschicht als Ursache für die Entstehung der EMK kann auch
auf andere Weise als in Bild 8.3.1 über chemische Reaktionen an einer Dreiphasengrenze
(Abschnitt 8.1.6) erzeugt werden (Bild 8.3-6).
8.4 Sensoren mit Feststoffelektrolyten
Die Verwendung von Feststoffelektrolyten oder Ionenleitern (Band 1, Abschnitt
2.7.3) ergibt die Möglichkeit zum Aufbau von chemischen Sensoren ohne Flüssigelektrolyten.
Der große Vorteil von Feststoff- gegenüber Flüssigelektrolyten liegt in der
Möglichkeit, mechanisch robuste Festkörperbauelemente herzustellen und z. T. in der
Selektivität: Feststoffelektrolyten lassen meist nur eine Ionenleitung für eine einzige o-
der sehr wenige Ionensorten zu. Ein Stromtransport ist stets verbunden mit einem Materialtransport
im Sensor und darüber hinaus mit der Nachlieferung von Materie (Anwendung
als Gaspumpe, s. Bild 8.4-7) an eine der Oberflächen des Ionenleiters, wenn der
Sensor stationär betrieben wird.
Bild 8.4-1 zeigt den Aufbau eines Sauerstoffsensors mit einem Feststoffelektrolyten aus
Zirkondioxid ZrO 2 , dessen Ionenleitfähigkeit im Bereich hoher Temperaturen durch
eine Beimengung von Y 2 O 3 eingestellt worden ist (durch Stabilisierung der ionenleitenden
Kristallstruktur).
Bild 8.3-6
Trennung von Ladungen in elektrochemischen Sensoren durch zwei katalytisch
begünstigte chemische Reaktionen (nach [1.1]): Die Oxidation des Kohlenmonoxids
zu Kohlendioxid an einer ersten (oberen) Elektrode ist mit der Erzeugung
von Elektronen und Protonen (Wasserstoffkationen) verbunden, wobei die letzteren
in einem schwefelsäurehaltigen Elektrolyten gelöst werden können. Werden an einer
zweiten (unteren) Elektrode im Elektrolyten durch eine andere chemische Reaktion
(Wasserstoffverbrennung) Protonen vernichtet, dann wandern diese im Konzentrationsgradienten
kontinuierlich von der ersten zur zweiten Elektrode und transportieren
auf diese Weise ihre Ladung durch den Elektrolyten: Die erste Elektrode wird negativ,
die zweite hingegen positiv aufgeladen.
Zwischen beiden Elektroden entsteht eine EMK, die mit dem Aufbau eines Potentials
verbunden ist, welches im stromlosen Zustand die Reaktion schließlich zum
Stillstand bringt (potentiometrischer Sensor). Wird die EMK kontinuierlich durch
einen Stromfluß abgebaut, dann ist der fließende Strom proportional zur chemischen
Reaktionsrate (amperometrischer Sensor, wie in der Abbildung dargestellt).
a) einfacher Aufbau des amperometrischen CO-Sensors
b) verbesserte Ausführung mit einer Bezugselektrode zur Einhaltung einer konstanten
Spannung an der Arbeitselektrode.
Bild 8.4-1:
l-Sonde (nach [1.1]): Oberhalb (z. B. mit Luft als Referenzgas) und unterhalb
(z. B. Auspuffgase als Meßgas) des sauerstoffleitenden Feststoffelektrolyten (ZrO 2 /
Y 2 O 3 ) befinden sich zwei getrennte Bereiche mit unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken.
Die unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen erzeugen über dem
Ionenleiter eine Diffusionskraft (Gradient des chemischen Potentials aufgrund der
unterschiedlichen Teilchenkonzentration, s. Band 1, Abschnitt 2.1), die ihrerseits einen
Stromfluß von Sauerstoffionen bewirkt. Die Beweglichkeit der Sauerstoffionen
(O 2- ) bestimmt die elektrolytische Leitfähigkeit. Dazu ist eine Aufheizung auf mindestens
500°C erforderlich.
Kennzeichnend ist, daß der Sauerstoff in gasförmigem Zustand elektrisch neutral
ist, aber nur in ionisierter Form (O 2- ) durch den Feststoffelektrolyten geleitet werden
kann, d.h. er muß auf der einen Seite des Sensors negativ aufgeladen, auf der anderen
hingegen entladen werden. Dadurch baut sich zwischen der inneren und äußeren
Elektrode eine Ladungs-Doppelschicht – und damit eine EMK – auf. Diese ist
ein Maß für die Differenz der Sauerstoffpartialdrücke.