Chemiresistive Properties of Selected Nanoparticular Metal Oxides

Belle, Clemens Julius; Zanthoff, Horst-Werner; Simon, Ulrich

doi:34547

Chemiresistive Properties of Selected Nanoparticular Metal Oxides = Chemieresistive Eigenschaften ausgewählter nanopartikulärer Metalloxide

Belle, Clemens Julius

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Clemens Julius Belle

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang190 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Simon, Ulrich (Thesis advisor) ; Zanthoff, Horst-Werner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-010905
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463885/files/463885.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463885/files/463885.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die etablierten Hochdurchsatz Impedanzspektroskopie (HTIS) und konventionelleImpedanzspektroskopie (IS) Verfahren wurden als nutzbringende Methoden für das elektrische Screening und Charakterisierung bestätigt. Die vier verschiedenen Sortenan polykristallinen und nanopartikulären Metalloxiden, die jeweils mittels verschiedener Methoden hergestellt wurden, erwiesen sich als gut geeignete Chemiresistoren auf Interdigitalelektroden (IDC) während des gesamten Arbeitszyklusses. Die abgestufte Zusammensetzungen und schrittweisen Veränderungen der Messungenermöglichte den Aufbau großer Materialbibliotheken, um den Effekt einzelner Parameter auf ihre Verwendung als Gassensoren oder Oxidationskatalysatoren gegenüber reduzierenden Analyten/Reactanten zu untersuchen. Bezüglich der Gassensoren ermöglichten die zwei untersuchten Bibliotheken die Identifizierung der sensitivsten Materialien, von einzelnen Parametern und einer Struktur-Eigenschafts-Beziehung. Beim Fe3-xO4 wurde die sinkende Partikelgröße als Faktor für die steigende NH3-Sensitivität bei gleichzeitig gering Querempfindlichkeitgegenüber anderen Analyten gefunden. Dagegen konnte bei den volumendotierten CoTiO3 kein solcher Deskriptor für die herausragende C2H5OH Sensitivität durch K Dotierung ermittelt werden, um das Bindungsenergie-Model trotz intensiver Analytik auszuweiten. Bei den heterogenen Katalysatoren wurde das (HT)IS Verfahren erfolgreichübertragen auf die neue Gruppe der Katalysatoren für Teil- und Volloxidationen. Beim MoVTeNbOx stimmte die Aktivierungsenergie der elektrischen Leitfähigkeit mit der katalytischen Leistung gemäß des durch thermische Vorbehandlung verursachten Kristallisationsgrades überein. Beim CeZrO2 zeigte eine erste Machbarkeitsstudie, daß die Temperatur der maximalen Sensorantwort (Tmax) mit der des Light-Off’s (LOT) korreliert, obwohl zur Bestätigung weitere Forschung notwendig ist. Diese vielversprechenden Ergebnisse haben das in situ (HT)IS Verfahren als vernünftiges Werkzeug zur Vorcharakterisierung in der Materialforschung von Gassensorenund Oxidationskatalysatoren bestätigt. Basierend auf der gezeigten Machbarkeitsstudie ermöglicht das zerstörungsfreie Monitoring geeigneter Katalysatorsystemebezüglich der Leitfähigkeit mobiler Elektronen und der Reaktivität von Gittersauerstoffan der Oberfläche die Evaluierung von essentiellen Parametern der Katalysatorperformance. Ein weiter verbessertes Verständnis der komplexen Beziehungzwischen den elektrischen Eigenschaften und der katalytischen Leistung mittelssimultaner Messungen unter realen Arbeitsbedingungen wird die maßgeschneiderte Entwicklung neuer Katalysatorsystem in Zukunft stark beschleunigen.

The established high-throughput impedance spectroscopy (HTIS) and conventional impedance spectroscopy (IS) approaches were proven as beneficial methods for the electrical screening and characterization of metal oxides. The four different kinds of polycrystalline and nanoparticulate metal oxides each prepared via different method were well-suited as chemiresistors on interdigital electrodes (IDC) during all steps of workflow cycle. The gradual alteration of compositions and the incremental variation of measurements allowed for the buildup of entire material libraries to study the effect of single parameters on their application as gas sensors or oxidation catalysts toward reducing analytes/reactants. Regarding the gas sensors the two surveyed libraries allowed for the discrimination of best performing materials, the identification of single parameters and the revelationof structure-property relation. In case of Fe3-xO4 the decreasing particle size was found as descriptor for the increasing NH3 sensitivity with simultaneously low crossselectivity toward other analytes. However, in case of volume-doped CoTiO3 no such descriptor could be revealed for the outstanding C2H5OH sensitivity by K-doping to further extend the binding energy model despite intensive analysis. Concerning the heterogeneous catalysts the (HT)IS approach was successfully transferred to the novel group of catalysts for partial and total oxidations. In case of MoVTeNbOx the activation energy of electrical conductivity coincides with the catalytic performance due to the degree of crystallization caused by the thermal pre-treatment. In case ofCeZrO2 a first proof of concept exhibited, that the temperature of maximum sensor response (Tmax) correlates with the light-off temperature (LOT) despite further research will be obligate for verification. These promising findings have proven the in situ (HT)IS approach to be a reasonable pre-characterization tool for the material research of both gas sensors and oxidation catalysts. Based on the present proof of concept the non-destructive monitoring of suited catalytic systems with respect to the conductivity of mobile electrons and there activity of lattice oxygen at the (near) surface might allow for the evaluation of parameters essential for the catalytic performance. A further advanced understanding of complex relationship between the electrical properties and catalytic performances by simultaneous measurements under real operating conditions will significantly accelerate the tailored development of new catalyst systems in the future.

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