Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Neue Materialien für neue Sensoren
Zum Nachweis brennbarer Gase und explosiver Gasgemische werden überwiegend katalytische Verbrennungssensoren – sogenannte Pellistoren – eingesetzt. Sie zeichnen sich durch ein einfaches Funktionsprinzip, leichte Installation und zuverlässige Kalibrierung aus. Andere Eigenschaften wie die hohe Betriebstemperatur, eine hohe Leistungsaufnahme und die Anfälligkeit für Katalysatorgifte begrenzen jedoch ihre Einsatzmöglichkeiten – insbesondere für mobile Anwendungen.
Die Eigenschaften der Pellistoren hängen ganz entscheidend von den darin eingesetzten Katalysatoren ab. Fraunhofer IPM arbeitet daher an der Entwicklung neuartiger katalytischer Pellistor-Materialien, die darauf abzielen, die Betriebstemperatur – und damit den Leistungsverbrauch – der Pellistoren zu senken, die Selektivität gegenüber dem Zielgas zu erhöhen und zudem die Empfindlichkeit auf Katalysatorgifte zu minimieren.
Zuverlässige Messmethoden zur Untersuchung katalytischer Materialien
Das Messprinzip von Pellistoren basiert auf der Detektion der Reaktionswärme. Die Reaktivität des verwendeten Katalysators gegenüber dem Zielgas ist entscheidend für das gemessene Signal. Daneben beeinflussen weitere Faktoren wie Sensordesign, aktive Fläche, Schichtdicke und Katalysatorverteilung die Signalbildung eines Pellistors. Zudem muss der Katalysator zunächst durch geeignete Drucktechnik im Sensor integriert werden.
Am Fraunhofer IPM entwickeln wir neuer Katalysatoren unter Anwendung thermischer Analyse. Wir setzen dabei auf Analyseverfahren wie die Differenzthermoanalyse (DTA) oder die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), die speziell zur Charakterisierung von Katalysatoren für den Einsatz in Pellistoren entwickelt wurde.
Bei der Methode wird die Reaktionswärme der Gasoxidationen detektiert und miteinander verglichen. Dies ermöglicht eine schnelle Bewertung der katalytischen Aktivität verschiedener Materialien gegenüber brennbaren Gasen wie Methan, Propan oder Wasserstoff.
Mithilfe der thermischen Analyse kann der Katalysator als Pulver schon im Vorfeld der Sensorherstellung – ohne Vorbehandlung und ohne Einfluss von Druckparametern – zuverlässig charakterisiert werden kann. Auf diese Weise können zahlreiche katalytische Materialien getestet und anschließend eine optimale Vorauswahl getroffen werden.
Mit den neuen Methoden für das Design neuer katalytischer Materialien schafft Fraunhofer IPM die Voraussetzung für die Entwicklung der Mikropellistoren einer neuen Generation, die mit Hilfe von Mikro-Elektro-Mechanische System (MEMS) Verfahren besonders kostengünstig hergestellt werden können.