Zeolithische Filter und Membranen in der Gassensorik

Nipprasch, Dirk GND

Abstract Zeolithische Filter und Membranen in der Gassensorik Dirk Nipprasch Metal oxide gas sensors are used for a wide range of applications for the detection of combustible and toxic gases in domestic and industrial fields. A particular problem of the sensitive metal oxide layers is the cross selectivity to volatile organic compounds (e. g. alcohols). The poor selectivity of most of the current chemical sensors limits the application fields. A molecular and catalytic filter, e.g. zeolites, was used in this thesis for the enhancement of the poor selectivity of a commercial tin-dioxide-based gas sensor for methane detection. These sensors were applied, for instance in mining, industry and in households. Crystalline zeolites were obtained after hydrothermal synthesis and modified with several elements for high catalytic activity. For application as a filter material in gas sensors, it's more practical from technical standpoint to use zeolitic membranes instead of zeolite powders. For this reason a new in-situ-synthesis of supported zeolitic membranes was developed. The membranes were synthesized on porous substrates (Al2O3, TiO2) without defects. The zeolitic layers could also be modified after synthesis. The structures of the obtained zeolitic powders and membranes were investigated with several methods of characterization. The catalytic activity was studied by the conversion of ethanol through acidic zeolites. The gas separation properties of the membranes were determined with the help of permeation measurements. The modified zeolite and zeolitic membranes proved through the sensor experiments to be active filters in the selective detection of methane in various methane-ethanol gas mixtures.

Metalloxid-Gassensoren werden heute in großen Stückzahlen zur Detektion brennbarer und toxischer Gase in vielen Bereichen der Industrie und des täglichen Lebens eingesetzt. Die in den Sensoren verwendeten gassensitiven Metalloxid-Schichten sind jedoch fast ausnahmslos gegenüber mehreren Gasen empfindlich, wodurch Anzeigen verfälscht und sogar Fehlalarme ausgelöst werden können. Ursache dafür sind ähnliche Wechselwirkungen verschiedener Gase mit der Metalloxid-Oberfläche. In der vorliegenden Dissertation wird durch den Einsatz zeolithischer Filter und Membranen eine Verminderung der Querempfindlichkeit kommerzieller Methan-Gassensoren gegenüber Ethanol erreicht. Diese auf der Basis sensitiver Zinndioxid- Schichten wirkenden Sensoren werden vor allem in Gaswarnanlagen (Bergbau, Industrie, Haushalt) eingesetzt. Zeolithe (z. B. ZSM-5, Zeolith-A) weisen ausgezeichnete katalytische Eigenschaften und eine hohe thermische und chemische Beständigkeit auf. Sie sind daher besonders geeignet, um als aktive Filter vor den gassensitiven Schichten von Gassensoren verwendet zu werden. Kristalline Zeolith-Pulver werden in der Arbeit als Endprodukte einer Serie von Hydrothermalsynthesen erhalten. Anschließend wurden die Kristalle durch Ionenaustausch teilweise modifiziert. Für die Verwendung von Zeolithen als Filtermaterial in Gassensoren ist es jedoch technologisch sinnvoller trägergestützte Zeolith-Membranen einzusetzen. Durch eine neue Variante der in-situ-Synthese von Zeolith-Schichten auf porösen Trägern aus Aluminiumoxid- und Titandioxid-Substraten konnten die Membranen defektfrei hergestellt und ebenfalls durch Ionenaustausch weiter modifiziert werden. Zeolith-Pulver und -Membranen wurden in zahlreichen Untersuchungen strukturell charakterisiert. Ihre katalytischen Eigenschaften wurden anhand der Konversion von Ethanol an sauren Zeolithen umfassend getestet und dokumentiert. Mit Hilfe von Permeationsmessungen wurde die Eignung der erzeugten zeolithischen Membranen zur Trennung von Gasspezies bestätigt. Die modifizierten Zeolithe und zeolithischen Membranen bewährten sich in Sensoruntersuchungen als aktive Filter bei der selektiven Detektion von Methan in verschiedenen Methan-Ethanol-Gasgemischen.

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Nipprasch, Dirk: Zeolithische Filter und Membranen in der Gassensorik. 2003.

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