Aufklärung der Arbeitsweise von Zinn(IV)-oxid-Gassensoren

02.09.2019

Aufklärung der Arbeitsweise von Zinn(IV)-oxid-Gassensoren

Neue mechanistische Einblicke mittels multipler operando-Spektroskopie

Die kombinierte operando-Spektroskopie liefert neue mechanistische Erkenntnisse zur Arbeitsweise von Zinn(IV)-oxid-Gassensoren. Abbildung: AK Hess / TU Darmstadt
Die kombinierte operando-Spektroskopie liefert neue mechanistische Erkenntnisse zur Arbeitsweise von Zinn(IV)-oxid-Gassensoren. Abbildung: AK Hess / TU Darmstadt

Metalloxid-Halbleiter, wie z.B. SnO2, stellen aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und einfachen Herstellbarkeit wichtige Materialien für Gas-Sensorik-Anwendungen dar. Ihre grundsätzliche Funktionsweise basiert darauf, Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit zu detektieren, die durch die Adsorption der Zielmoleküle auf der Oberfläche des Halbleiters hervorgerufen werden. SnO2 ist zwar das am häufigsten verwendete Material für solche Metalloxid-Gas-Sensoren. Es konnte jedoch trotz seiner technischen Relevanz und zahlreicher mechanistischer Studien bisher kein detailliertes Verständnis seiner Funktionsweise auf molekularer Ebene erlangt werden.

Ein detailliertes Verständnis der Funktionsweise von Gas-Sensoren stellt die Grundlage für die Entwicklung verbesserter Gas-Sensoren dar. Um die Funktionsweise von Gas-Sensoren auf molekularer Ebene aufzuklären, ist die Entwicklung von operando-Techniken, welche die Sensorantwort direkt unter Betriebsbedingungen mit den strukturellen Änderungen in Beziehung setzen, von entscheidender Bedeutung. Es zeigt sich, dass aufgrund der Komplexität von Metalloxid-Gassensoren nur eine geeignete Kombination solcher operando-Techniken ihre Arbeitsweise und den zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus aufzuklären vermag.

In dem jüngst in der Angewandten erschienenen Beitrag stellen wir einen neuen operando-spektroskopischen Ansatz vor, der erstmals Widerstandsmessungen mit drei spektroskopischen Techniken (UV-Vis, Raman, IR) in einem experimentellen Aufbau kombiniert und es erlaubt, die Sensorantwort mit der Sauerstoffleerstellen-Konzentration im Metalloxid, der Art der Adsorbate und der Gasphasenzusammensetzung zu verknüpfen. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der Sensorwiderstand direkt mit der Anzahl an Sauerstoffleerstellen an der Oberfläche und der Art der Oberflächenspezies, insbesondere der Acetat- und Hydroxyspezies, korreliert.

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