CuO-basierte Nanostrukturen als Gasdosimeter in der H2S-Detektion

Abstract

Schwefelwasserstoff (H2S) ist ein farbloses, hoch toxisches und korrosives Gas, das schon bei geringen Konzentrationen ein hohes Gefahrenpotential für den Menschen darstellt. Der Einsatz von Gassensoren, welche H2S bereits bei sehr geringen Konzentrationen im Bereich von 5 ppm (maximale Arbeitsplatz-Konzentration in Deutschland) selektiv detektieren, ist unabdingbar. Nanomaterialien aus Kupfer(II)oxid (CuO) können zur Präparation von Gasdosimetern zur H2S-Detektion verwendet werden. Unterhalb von 200 °C bildet sich bei H2S-Exposition ein leitfähiger Pfad bestehend aus Kupfer(II)sulfid (CuS), wodurch ein Leitwertanstieg des Materials hervorgerufen wird. Bei höheren Temperaturen (> 350 °C) kann der Sensor wieder zu CuO regeneriert werden und der mehrfache Einsatz wird ermöglicht. Nach einigen Sensorzyklen (Detektion und Regeneration) bricht die Sensoraktivität allerdings ab. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zunächst mit der detaillierten Analyse der für den Abbruch der Sensoraktivität verantwortlichen Mechanismen. Zum einen führen strukturelle Unterschiede zwischen CuO und CuS während der Sensorzyklen zu starken morphologischen Änderungen und verhindern auf Grund von beispielsweise einer Rissbildung die erneute Ausbildung eines leitfähigen Pfades in höheren Zyklenzahlen, sodass das Sensorsignal ausbleibt. Zum anderen treten Nebenreaktionen auf, wie z.B. die Bildung von Kupfer(II)sulfat (CuSO4), wodurch inaktives, nicht regenerierbares Material auf dem Sensor akkumuliert. Es werden Strategien entwickelt, um diesen Problematiken entgegenzuwirken. Durch das Einbringen von CuO in eine stabilisierende poröse Matrix aus Silizium(IV)oxid (SiO2) werden die morphologischen Veränderungen auf einen begrenzten Raum beschränkt, sodass das Material ein reproduzierbares Sensorverhalten in einer hohen Zahl an Sensorzyklen zeigt. Mit Hilfe von definierten CuO- und CuS-Nanomaterialien und gängigen Analysemethoden (Raman-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie) wird der Sensormechanismus im Detail untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse geben tiefere Einblicke in den zugrunde liegenden Mechanismus und die Kombination mit thermodynamischen Berechnungen ermöglicht zusätzlich die Entwicklung von Strategien zur Verringerung der CuSO4-Bildung und zur Erhöhung der Langzeitstabilität der Sensoren. Zusammenfassend ermöglichen beide Ansätze die Präparation von CuO-basierten Gasdosimetern mit einer gesteigerten Langzeitstabilität in über 100 Sensorzyklen.