Hochporöse 3-dimensionale Kohlenstoff-Aeromaterialien für energieeffiziente, ultraschnelle und selektive Gassensoren

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Adelung; Professor Dr.-Ing. Bodo Fiedler
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423187260

Ziel des Projektes ist die Erforschung von neuartigen, energieeffizienten, ultraschnellen und selektiven Gassensoren basierend auf leichtgewichtigen Gerüstmaterialien (Dichten von ~ 2 mg/cm³) aus Kohlenstoffnanomaterialien (z. B. Graphen, CNTs, Graphen Oxid, Graphit) mit makroskopischen Ausdehnungen (> cm³) und freien Volumina von über 99,99 %. Der Grundstein für die Entwicklung dieser Gassensoren liegt dabei auf den bereits sehr erfolgreichen Arbeiten zum Aeromaterial ,,Aerographit“, einer makroskopischen Gerüststruktur bestehend aus einer Vielzahl miteinander verbundener hohler graphitischer Mikroröhren mit nanoskopischer (< 50 nm) Wandstärke. Die einzigartige Gerüststruktur dieser Aeromaterialien resultiert in einer relativ großen (~ 100 m²/g) und vor allem für Gase zugänglichen Oberfläche. Gleichzeitig ermöglicht das sehr große freie und offenporige Volumen den Durchfluss von Gasen durch diese Gerüststruktur. Die einzigartige Mikro- und Nanostruktur der Aeromaterialien resultiert simultan in einer sehr geringen Wärmekapazität. Dadurch werden extrem schnelle Aufheiz- und Abkühlraten (> 400 K/s) bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme (< 10 W) in großen Volumina (> cm³) auf Temperaturen von bis zu 500 °C in Sekundenbruchteilen ermöglicht, was zu einer deutlichen Steigerung der Reaktivität und somit der Sensitivität von Gassensoren führt. Die Kombination dieser Eigenschaften in Verbindung mit den bereits bekannten hohen Gassensitivitäten von Kohlenstoffnanomaterialien soll in diesem Antrag für die Herstellung neuartiger Gassensoren ausgenutzt werden. Der Fokus des Projektes liegt in dem Erwerb eines umfassenden Verständnisses der physikalischen und chemischen Zusammenhänge und deren Einfluss auf die Gassensorcharakteristik der Aeromaterialien. Insbesondere soll der Einfluss verschiedener Strukturparameter (z. B. Wandstärke, Dichte, Materialtyp, etc.) als auch die Auswirkungen verschiedener Funktionalisierungen (z. B. Inkorporation von Nanopartikeln als Rezeptoren/Katalysatoren) auf die Eigenschaften der Gassensorik im Detail erforscht werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem genaueren Verständnis des Wachstumsprozesses solcher auf Gerüststrukturen basierender Aeromaterialien, was eine gezielte Anpassung der Eigenschaften erlaubt, womit optimale Leistungen und Selektivitäten in der Gassensorik erreicht werden sollen. Des Weiteren soll das thermisch-elektrische Verhalten und die Gasdurchflusseigenschaften von Aeromaterialien detailliert untersucht und innovative Messmethoden zur Gasdetektion basierend auf den hohen Heiz- und Kühlraten entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen