Preis für die beste Masterarbeit 2021 für M.Sc. Maximilian Pfeiffer

22.07.2022

Preisträger Maximilian Pfeiffer während der Übergabe des Preises für die beste Masterarbeit des Fachbereichs Chemie 2021 im Rahmen der Absolvent*innenfeier.

Die Vereinigung von Freunden der Technischen Universität zu Darmstadt e.V. hat am 19. Juli 2022 den mit 1.000 Euro dotierten Preis für die beste Masterarbeit des Fachbereichs Chemie der TU Darmstadt im letzten Jahr verliehen. Diesjähriger Preisträger ist Herr Maximilian Pfeiffer, der seine Masterarbeit im Fachgebiet Physikalische Chemie in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christian Hess angefertigt hat. Der Preis wurde im Rahmen der Absolventenfeier des Fachbereichs Chemie der TU Darmstadt überreicht.

In seiner Masterarbeit mit dem Titel „Untersuchung Au-dotierter SnO2-Gassensoren mittels transienter IR-Spektroskopie“ beschäftigte sich Herr Pfeiffer mit der mechanistischen Aufklärung der während der Ethanol-Gassensorik stattfindenden Oberflächenreaktionen auf goldbeladenen und unbeladenen Zinnoxiden.

Chemoresistive Gassensoren, wie sie Herr Pfeiffer in seiner Masterarbeit untersucht hat, sind weitverbreitet in der Sicherheitstechnik zur frühzeitigen Erkennung toxischer und explosiver Gase. Daneben finden sie auch Anwendung in der Medizindiagnostik und der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln. Ihre Funktionsweise basiert auf einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in Gegenwart der nachzuweisenden Zielmoleküle, die auf der Oberfläche adsorbieren und dort mit der Oberfläche des Sensormaterials oder anderen adsorbierten Oberflächenspezies reagieren.

Ethanol zählt in den zu Beginn genannten Anwendungsgebieten für Gassensoren zu den wichtigsten, nachzuweisenden Analyten in der Umgebungs- und Atemluft. Das halbleitende Metalloxid Zinnoxid wiederum gehört zu den ersten Sensormaterialien, die in Gassensoren verwendet wurden, und ist aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und einfachen Herstellbarkeit auch heute noch eines der meistverwendeten Sensormaterialien. Seine Sensoreigenschaften können durch das Dotieren mit kleinen Mengen an Edelmetallen wie z.B. Gold weiter verbessert werden, um beispielsweise die Empfindlichkeit zum nachzuweisenden Analyten oder die selektive Sensorantwort in Gegenwart anderer möglicher Analyten in der Umgebungsluft zu erhöhen.

Schematische Darstellung des vorgeschlagenen Mechanismus der Oberflächenreaktion von Ethanol auf gold-beladenem Zinnoxid. Abbildung: AK Hess/ TU Darmstadt
Schematische Darstellung des vorgeschlagenen Mechanismus der Oberflächenreaktion von Ethanol auf gold-beladenem Zinnoxid. Abbildung: AK Hess/ TU Darmstadt

Für ein rationales Design verbesserter Sensormaterialien ist ein tiefgehendes Verständnis der an der Sensoroberfläche ablaufenden Prozesse von großer Wichtigkeit. Dieses Verständnis kann durch geeignete in situ spektroskopische Methoden erhalten werden, welche die während der Reaktion vorhandenen Oberflächenspezies abfragen. Herr Pfeiffer hat in seiner Masterarbeit die in situ Infrarot-Spektroskopie verwendet und mit Widerstandsmessungen und weiteren ex situ-Charakterisierungsmethoden kombiniert. Üblicherweise wird die mechanistische Untersuchung von Oberflächenreaktionen durch sogenannte Beobachterspezies, die nicht an der eigentlichen Reaktion beteiligt sind, gestört. Besonders hervorzuheben ist daher die Anwendung einer transienten Methode der Infrarot-Spektroskopie, bei der mittels periodischer Variation der Gasphasenzusammensetzung und anschließender phasensensitiver Detektion gezielt die Oberflächenspezies abgefragt werden, die aktiv an der Reaktion beteiligt sind. Weiterhin ermöglicht diese Methode die Untersuchung der Dynamik aktiver Oberflächenspezies, d.h. der zeitlichen Abfolge der Adsorption/Desorptions- bzw. Reaktionsschritte. Während dieser Ansatz bereits vereinzelt Anwendung auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse gefunden hat, wurde er in dieser Form noch nicht für die Untersuchung von Gassensoren angewendet. So gelang es Herrn Pfeiffer, einen auf spektroskopischen Daten basierten in sich schlüssigen Mechanismus für die Sensorreaktion von Ethanol auf goldbeladenem Zinnoxid zu entwickeln, sowie den Einfluss von Gold auf die Oberflächenreaktion und Sensoreigenschaften aufzuklären (siehe Abbildung unten). Zudem konnte er zuvor nicht beobachtete Oberflächenspezies identifizieren, die nur mittels zeitaufgelöster (transienter) Spektren zugänglich waren, und bestehende Modelle zur Beschreibung der Gassensorik an Metalloxiden zu erweitern.

Die Ergebnisse der Masterarbeit wurden in der renommierten Fachzeitschrift Journal of Physical Chemistry C veröffentlicht.