In situ DRIFT studier av adsorbat för att utröna MISiCFET-gassensorers detektionsmekanism

Forskningsprojekt, 2003 – 2005

Fälteffektsensorer med katalytiska metallstyren, MISiCFET-sensorer, baserade på kisel och kiselkarbid har kommersialiserats som läcksökningsinstrument och i s.k. elektroniska näsor. Kiselkarbidbaserade MISiCFET-sensorer kan användas vid höga temperaturer och i korrosiva miljöer. Dessa testas inom kompetenscentret S-SENCE vid Linköpings universitet i projekt tillsammans med bilindustrin (Volvo TU och Volvo Cars samt Ford) för styming av SCR, (selektiv katalytisk reduktion i katalysatorn av NO med NH3), och som en kallstartsensor som, även i uppvärmt tillstånd, tål vattenstänk, vilket bildas i avgasema vid kallstart. Vidare testas kiselkarbidsensorerna for styrning och reglering av mindre värmepannor där dagens instrument ar för dyra (tillsammans med Vattenfall och Applied Sensor). Dessa applikationer staller höga krav på sensorema: hög känslighet (t.ex. < 10 ppm av NH3 och CO), hög selektivitet (t.ex. detektion av endast NH3 i dieselavgaser som också innehaller NOx (NO+ NO2) och kolväten), snabb respons (< 1 s) och att sensorerna måste klara 10 000 h bllavgaser respektive 2 år i rökgaser. Detaljerad kunskap om sensormekanismen skapar forutsättningen for att skräddarsy sensorer som klarar dessa krav. Det är idag känt att gaser sönderdelas och reagerar med t.ex. syre på de katalytiska metallytoma i MISiCFET-sensorerna. Väte tränger igenom metallfilmen och adsorberar i form av dipoler eller laddningar på oxidytan under metallfilmen. Det är okänt vilka atomer eller molekyler på oxidytan som vate adsorberar på. Med kunskap om detta kan den optimala oxidytan för selektiva, snabba sensorer med hög känslighet konstrueras. I porösa metallfilmer vet man också att väteatomer eller protoner diffunderar ut på oxidytan som ar exponerad i porema. Ammoniak kräver trippel-punkter i form av metall/oxid/gas for att detekteras. lngenting ar känt om de molekyler som är inblandade ammonlakresponsen. Men med denna kunskap har man förutsattningarna for att tillverka sensorer och som t.ex. håller 10 000 h i dieselavgaser och som har tillräckligt hög selektivitet för NH3. Med DRIFT (Diffus Reflektans lnfraröd Fourier Transform) spektroskopi kan man identifiera molekyler. Man kan skilja på molekyler som ar bundna till oxid eller metall och molekyler som finns i gasfas. Det är möjligt att analysera pulver av kiseldioxid med Pt eller Ir partiklar på ytan av oxidkornen. Detta är lämpliga modellsystem för den aktiva delen av MISiCFET-sensorerna. Med den utrustning som finns på Chalmers är det möjligt att göra analyser vid olika temperaturer under gasexponering. Realistiska analyser kan göras som kan ge svar på vilka molekyler som ger upphov till gasresponsen vid de olika intressanta temperaturerna i relevanta gasatmosfärer. Resultaten kommer att vara intressanta också ur katalyssynpunkt. Till exempel är SCR ett mycket hett områlde för tillfället eftersom man förvantar sig mycket stränga lagkrav för utsläpp av NOx i en nära framtid. Projektet kommer att generera kunskaper som troligen är mycket intressanta aven inom detta område.