Materiály pro senzory

Polovodičové materiály pro
vodivostní senzory
Složení aktivní vrstvy
• Detekční vlastnosti vykazuje celá řada různých
anorganických i organických látek, pro vyšší teploty jsou
však organické látky méně vhodné (horší stabilita,
termický rozklad).
• U organických vrstev se využívá jejich specifických
vlastností.
• Směsné aktivní vrstvy (anorganické látky kombinované s
organickými)
Technologie přípravy aktivních
vrstev
• Technologie má kromě volby složení
značný vliv na detekční vlastnosti
aktivních vrstev
• technologie keramiky
• planární technologie
– tlustovrstvá
– tenkovrstvá
Nanášení tenkých vrstev
• vakuové napařování (reaktivní ,RF)
• katodové naprašování (diodové, triodové, vf, iontovým
paprskem, magnetronové, reaktivní
• CVD (plynná, MOCVD, PACVD)
• MBE
• laserová technologie (L-CVD, PLD, MAPLD)
• ink-jet
Tvorba motivů
• litografie: rezisty, litografická maska, záření, vyvolání,
odleptání („mokré“, iontové)
Komponenty citlivé vrstvy
1.
2.
3.
4.
Základní materiál
Dopanty
Katalyzátory
Adheziva, taviva (alkalické živce) –
keramické a tlustovrstvé senzory
5. Selektivní membrány
• Citlivé vrstvy vodivostních senzorů tvoří složité strukturní
i chemické systémy.
• Vliv složení a technologie na chemické složení, strukturu
a elektrofyzikální vlastnosti.
• Parametry a složení a technologie aktivních vrstev
komerčních čidel jsou předmětem obchodního tajemství
a jsou obtížně dostupné.
• Příklady dopantů a katalyzátorů ve vztahu ke konkrétním
aplikací.
Proč se používají rozličné materiály
pro citlivé vrstvy?
1. Selektivita
• Složení má vliv na afinitu k měřené složce.
• Volbou vhodného složení citlivé vrstvy můžeme
dosáhnout selektivní odezvy.
• Kombinací většího počtu senzorů s různými
citlivými vrstvami do dvourozměrného pole lze
získat soubor dat, ze kterých je možné
vyhodnotit složení i vícesložkové plynné směsi,
jelikož každý senzor zareaguje na každou
přítomnou složku odlišně.
Proč se používají rozličné materiály
pro citlivé vrstvy?
2. Citlivost
• Materiál vrstvy má určité elektrofyzikální
vlastnosti, na kterých závisí citlivost danou
plynnou složku.
• Práh detekce
• Měřicí rozsah
Proč se používají rozličné materiály
pro citlivé vrstvy?
3. Struktura vrstvy
• Chemické složení má rozhodující vliv také na
strukturu vrstvy.
• Výhodný je co „největší“ povrch (nejlepší
převod)
• Interakce plynu – povrch
• Změna vodivosti - objem
• Pórovitá struktura (anorganické látky)
• Houbovitá struktura (organické látky)
Proč se používají rozličné materiály
pro citlivé vrstvy?
4. Stabilita aktivní vrstvy
• Materiál vrstvy nesmí podléhat degradaci, musí
být chemicky netečný k atmosféře, ve které je
provozován.
• Odolnost ke katalytickým jedům.
• Teplotní stabilita (teplota senzoru 20-1000 °C)
• Stabilita parametrů – problém vodivostních
senzorů
Proč se používají rozličné materiály
pro citlivé vrstvy?
5. Pracovní teplota vrstvy
- Nejlépe co nejnižší
• menší problémy s stabilitou
• menší spotřeba energie (přenosná a kapesní
detekční zařízení, bateriový provoz)
• Důsledky vysoké teploty senzoru: tepelné
namáhání, pnutí v materiálech (odlupování),
difúze příměsí a katalyzátorů, krystalické změny,
degradační chemické reakcí, sublimace ...
Proč se používají rozličné materiály
pro citlivé vrstvy?
6. Tlustovrstvá technologie - přísady
• zajištění mechanických vlastností (adheze, pevnost)
• Funkční materiály (polovodivé oxidy)
• Vazební sklovina slouží jako pojidlo funkčního materiálu
s podložkou.
• Organický nosič tvoří: pojidlo (pryskyřice, vosky,
termoplastické látky), rozpouštědlo (např. methylacetát,
ethylacetát, butylacetát, estery) k rozpouštění pryskyřice.
Anorganické materiály
• osvědčené, stabilní, využívané v komerční
sféře:
SnO2, ZnO, In2O3, Fe2O3, WO3 ...
Matriál (dopant)
n nebo p typ
vodivosti
Detekční teplota (°C)
Detekované plyny
ZnO (Al)
n
200
H2
ZnO
n
450
CCl-2F2, CHClF2
ZnO
n
280-470
CO
(p)
350
NH3
n
350
H2, CH4, C4H10
WO3 (Pt)
n
250-400
N2H4, NH3, H2S
WO3
n
500
CO, CH4, SO2
TiO2 (Ru)
n
560
(CH3)3N
αFe2O3
n
400
H2, CH4
γ Fe2O3
n
420
H2, CH4, C3H8, C4H10, C2H5OH
CdIn2O4
n
300
CO
NiTa2O6
n
100
H2, CO
CoTa2O6
n
100
H2, CO
CuTa2O6
n
400
H2, CO
BaTiO3 (Ag)
n
300
CO
SrFeO3-Y
p
470
CH4
SrTi1-YNbYO3+Z
p
800-1000
O2
ZnxGeOYNz
n
200-300
NH3
Cr2O3 (Ti)
n
420
(CH3)3N
In2O3 (Mg nebo Zn)
n
420
(CH3)3N
Bi2(MoO4)3
n
330
C2H5OH
Bi2(CrO4)3
n
270
C2H5OH
BaSnO3
n
300-500
Bi2Sn2O7
n
500
H2, CO, C2H4, NH3
n/p
500
C3H8, Cl2, NO2, SO2, H2S
ZnO (Al, In nebo Ga)
Bi6Fe4Nb6O30
H2, CO, CH4, H2S, SO2
Měně běžné materiály
Detekce CO
Oxid
TiO2
V2 O5
Cr2 O3
MnO2
Fe2 O3
Co3 O4
NiO
Cu2O
ZnO
Ga2O3
GeO2
Y2 O3
Nb2O5
MoO3
CdO
In2O3
SnO2
Sb2O5
La2 O3
Ta2 O5
WO3
PbO
Bi2O3
CeO2
El. odpor ve vzduchu (Ω)
4 X 10 8
5 X 10 4
2 X 10 5
8 X 10 3
2 X 10 8
2 X 10 3
8 X 10 6
4 X 10 3
1 X 10 6
(4 X 10 9)
1 X 10 7
(1 X 10 10 )
(1 X 10 9)
(4 X 10 9)
1 X 10 6
4 X 10 3
6 X 10 5
(2 X 10 9)
(7 X 10 9)
(3 X 10 10 )
2 X 10 6
1 X 10 7
1 X 10 8
5 X 10 8
Citlivost na 1000 ppm CO
2,7
1,0
0,9
1,0
4,4
0,7
0,6
0,9
12
(1,4)
1,0
(3,6)
(2,1)
(1,3)
2,2
23
22
(0,1)
(3,2)
(1,2)
1,9
1,0
0,9
1,2
*
o
Pracovní teplota (°C)
500
(300)
300
(500)
300
300
300
400
400
400
(400)
500
500
500
400
350
300
400
500
500
300
(400)
500
400
SnO2
• Tradičním, univerzálním, velmi používaným a velmi
prozkoumaným základním materiálem pro aktivní vrstvy
je oxid cíničitý.
• Vodivost základního materiálu je dobře měřitelná.
• Modifikace vlastností dopanty a katalyzátory
• Detekce oxidačních i redukčních plynů.
Nestechiometrický SnO2-x
• Oxid cíničitý se vyskytuje jako
nestechiometrický SnO2-x
• Kyslíkové vakance působí jako
elektronové donory.
• Čistý oxid vykazuje vodivost typu n
• Krystalová struktura - rutil
Aplikace SnO2 - senzorů
•
•
•
•
•
•
•
•
látky výbušné – sem patří H2 a CH4, jejich detekce je celkem bez
obtíží.
látky často znečišťující životní prostředí - NOxy, hlavně
karcinogenní, teratogenní a mutagenní NO2, dráždivý a sliznice
leptající SO2 ,
páry alkoholů - CH3OH, C2H5OH jehož stanovení je často
předmětem silničních kontrol, buthanol.
rozpouštědla vyskytující se např. v chemickém průmyslu, konkrétně:
benzen, toluen
produkty spalování – pro požární hlásiče, prudce jedovatý CO jako
produkt nedokonalého spalování
chlorované uhlovodíky , které hrají důležitou úlohu jako
rozpouštědla.
vzdušná vlhkost,
kyslík (reakční směsi)
Příklady modifikace SnO2 vrtev
•
•
•
•
•
•
•
Dotace In, Cd nebo Al, katalýza V : detekce NOX
Dotace Ag aAl2O3, detekce CO, NO a Cl2
Dotace La2O3, katalýza Au, detekce CO a C2H5OH
Dotace ZnO (Sb), detekce C2H5OH
Dotace Bi2O3 (Ru), detekce H2
Dotace CeO2, detekce CH4
Dotace Li, detekce O2
Heteropřechod SnO2-CuO
•
•
•
•
•
Směs SnO2 a CuO – velmi citlivá na H2S a merkaptany
Změna el. odporu až 35000-násobná
vznik PN - heteropřechodů mezi SnO2 a CuO zrny
CuO reaguje s H2S na CuS, což vede k velkému poklesu
elektrického odporu, po odstranění H2S atmosféry přechází CuS
zpět na CuO
Pracovní teplota je pod 200 °C
CuO(p-vodivost) + H2S = CuS (n – vodivost) + H2O
2 CuS(n-vodivost) + 3 O2 = 2 CuO (p – vodivost) + 2 SO2
Použití selektivních membrán
• Pomocí diethoxysimethylsilanu lze
chemicky modifikovat povrch SnO2 zrn.
• Chemickou reakcí se na povrchu zrn
vytvoří velmi tenká (několik
monomolekulárních vrstev) vrstva SiO2,
• Vrstva SiO2 má velmi selektivní účinek na
H2 .
• Vodík je tvořen velmi malými molekulami,
které snadno projdou molekulovým sítem.
TiO2
• Podobné vlasnosti jako SnO2
• Vysoký el. odpor, částečně iontová
vodivost
• detekce H2, CO, NOX, O2, vzdušné
vlhkosti
• Lze použít místo ZrO2 (λ-sondy)
WO3
• Detekce: H2, H2O, H2S, NO, NO2, NH3, SO2, CO,
CO2, SO2, CH4, C2H5OH
Fe2O3
• Detekce: H2, CO a rozličných organických látek
• Dvě krystalové modifikace: α a γ
ZnO
• CO, H2, O2, (CH3)3N, ethanol, aceton,
diethylether °C).
• Heteropřechod CuO/ZnO – stejná funkce jako
SnO2
In2O3
• Specifická je detekce vzdušného ozónu.
• Využívá se k ní často oxidu inditého nebo
organických sloučenin india.
• Práh detekce: cca 0,5 ppm O3.
• Katalyzátory Co, Rb, CeO2 se podstatně
zvýší citlivost. (lze detekovat i koncentrace
pod 1 ppb).
Organické aktivní vrstvy
• Většina organických látek jsou izolanty
(polyethylen, minerální olej, guma).
• Jsou však známy některé organické látky
vykazující polovodivé chování.
• Nejedná se tedy o „čisté“ polovodiče, ale látky,
které se určitým způsobem svým chováním blíží
k modelu polovodiče.
Organické aktivní vrstvy
• Na rozdíl od anorganických polovodičů, kde je
struktura materiálů určována převážně silnými
kovalentními nebo iontovými vazbami mezi
atomy v krystalové mřížce, jsou v organických
molekulárních krystalech, které jsou tvořeny
většinou atomy uhlíku, vodíku, dusíku a kyslíku,
mezimolekulární interakce ovlivňovány relativně
slabými van der Waalsovými a Londonovými
silami nebo associacemi prostřednictvím
vodíkových můstků.
Organické aktivní vrstvy
• Molekulární vzdálenosti jsou velké ve
srovnání se vzdálenostmi mezi atomy
nebo ionty anorganických látek, takže
překryv molekulárních orbitalů je slabý a
mezimolekulární elektronová výměna je
malá. Malá je také energie mřížky.
• Šířka zakázané oblasti je velká a
pohyblivost nosičů náboje nízká.
Přenos el. náboje v org. látkách
• U organických látek neobsahujících systémy
konjugovaných vazeb jsou elektrony vázány
v primárních vazbách a mohou se začít pohybovat
teprve po termické, světelné či jiné excitaci.
• Jelikož vodivost bývá nižší než u anorganických
polovodičů a jsou nižší i hodnoty pohyblivosti nositelů
náboje, předpokládá se, že vodivost má za těchto
podmínek přeskokový charakter.
• Elektron (popř. díra) je při svém pohybu zachycován do
pastí, ve kterých setrvává poměrně dlouhou dobu, než
se mu podaří přeskočit do dalšího místa či do něj přejít
tzv. tunelovým mechanismem-viz obr.
Přenos el. náboje v org. látkách
Přenos náboje delokalizovanými π-elektrony v systému
konjugovaných dvojných vazeb
Přenos náboje delokalizovanými π-elektrony v systému
konjugovaných dvojných vazeb
Organokovové látky
Acetylacetonáty
• acetylacetonáty přechodných kovů (Ti, Zn, Sn,
Cu) využívající polovodivých vlastností typu n
• S použitím katalyzátoru (Pd, Pt, Ce, Ru)
dosahují aktivní vrstvy vysoké citlivosti na: CO,
H2, CH4, C2H6, C3H8, C2H5OH, O3, NOX.
• Selektivita a citlivost na konkrétní plyn závisí na
volbě centrálního atomu.
• Analogie k anorganickým oxidů – SnAcAc
reaguje na plyny podobně jako SnO2
Struktura acetylacetonátu cínu - SnAcAc
(chlorid bis(pentan-2,4-dionato) cíničitý)
H3C
CH3
O
O
Sn2+
O
H3C
O
CH3
2+
Struktura acetylacetonátu cínu - SnAcAc
(chlorid bis(pentan-2,4-dionato) cíničitý)
Ftalocyaniny
• ftalocyaninové komplexy (Mn, Fe, Co, Ni, Zn,
tetrakis-t-butyl, Pd, Pt): detekce par
nepolárních a polárních rozpouštědel
• tetrakis-t-butyl NiPc detekce nepolárních
rozpouštědel
• CuPc a Cu(II)-tetrakis(3,3-dimethyl-buthoxykarbonyl)Pc jsou velmi citlivé na vzdušnou
vlhkost, NO2 (pod 1 ppm), NO a Cl2.
• TiOPc a amino-tri-tert-butyl-ftalocyanin
reagují na vzdušný NO2.
• NdPc2 - detekce NH3 (20 ppm)
• MnPc: (CH3)3N
Struktura molekuly ftalocyaninu, elektronová hustota
(každá plná čára zobrazuje přírůstek hustoty jednoho elektronu na 0,1 nm,
čárkovaně jsou znázorněny jednoelektronové linie)
Men+
Men+
Polymery
Polypyrroly
• Polypyrrolové filmy jsou vhodné pro detekci při
pokojové teplotě: C2H5OH, toluen, NH3, CO
Polyanilin
• Pro selektivní detekci čpavku byly použity také
polyanilinové filmy (15-40 °C). Polyanilinové
filmy jsou taktéž citlivé na Cl2, HCl nebo aceton,
methanol.
Ethylceluosa, polyethylakrylát,
polyetheruretan.
Ostatní organické materiály
Matriál
poly(-2,5-furylenyl-vinylen)
polysiloxany
cyklodextriny,trifenylsilanol
Pb-porphyriny
poly(3-alkylthiofeny) a chloro a
nitro deriváty
ftalocyaninosilikon
poly-3-methylthiofen
poly(o-fenylendiamin), PVA
N-methyl pyrrol
polystyren
Detekované plyny
trichlorethylen, propanol, isopropanol, chloroform
NH3, SO2, NOX (nízká teplota)
organická rozpouštědla-alkoholy, halogen. uhl.
ethanol, chlorované uhlovodíky
vzdušná vlhkost
vzdušná vlhkost
NH3
vzdušná vlhkost
methanol (pokojová teplota)
NO2
KATALYZÁTORY
• Hnací silou chemických reakcí je
minimalizace Gibbsovy energie systému.
ΔG=ΔH-TΔS
• G značí Gibbsovu energii, H entalpii , T
termodynamickou teplotu a S entropii
systému
• probíhají pouze procesy, jejichž ΔG<0 J
• Uvolňuje se teplo nebo roste
neuspořádanost systému (nebo obojí)
Katalyzátory – termodynamická
rovnováha
• Změna Gibbsovy energie však pouze popisuje polohu
chemické rovnováhy.
• Existuje vzájemně jednoznačný vztah mezi hodnotou
rovnovážné konstanty reakce Kν a hodnotou ΔG reakce:
Kν = exp (- ΔG / RT )
• čím zápornější je ΔG, tím vyšší je hodnota Kν a tím více
je rovnováha posunuta ve prospěch produktů reakce.
• Známe-li u konkrétního procesu hodnotu ΔG, můžeme
pouze charakterizovat koncový stav (tj.chemické složení
rovnovážné směsi), ale nikoli již rychlost, jakou se k
tomuto koncovému stavu dospěje.
Katalyzátory a kinetika
• Hodnota ΔG nevypovídá o kinetice chemické
reakce.
• Při studiu kinetiky chemické reakce je nezbytně
nutné znát skutečný mechanismus, jakým daná
reakce probíhá.
• Mají-li molekuly reaktantů vstoupit do reakce,
musí nejprve dojít k jejich účinné srážce
• Přitom se musí překonat určitá počáteční
energetická bariéra, kterou označujeme jako
aktivační energii daného procesu G*. Hodnota
G* je vždy kladná.
Katalyzátory – mechanismus reakce
• Existuje řada reakcí, které mají velmi příznivou hodnotu
ΔG < 0, ale přesto prakticky neprobíhají, nebo je jejich
rychlost velmi pomalá kvůli vysoké hodnotě aktivační
energie.
• V tomto případě se při uskutečnění reakce může uplatnit
katalyzátor.
• Za pomoci katalyzátoru se totiž reakce může uskutečnit
náhradní cestou - jiným mechanismem - jehož aktivační
energie je podstatně menší.
• Postačí, aby do děje vstoupil reaktant, který na konci
elementárního kroku reakce opět vystoupí v původní,
nezměněné podobě či konfiguraci.
• Takový reaktant se nazývá katalyzátor.
A + B Æ C+ D
Aktivační Gibbsova energie katalyzované a
nekatalyzované reakce
Katalyzátory – mechanismus
reakce
• Uskutečnění nekatalyzované reakce je spojeno s
celkovou změnou Gibbsovy energie ΔG.
• Průběhu reakce brání přítomnost vysoké energetické
bariéry G*, oddělující počáteční stav od konečného.
• Reakce proto probíhá jen velmi zvolna (anebo prakticky
vůbec neprobíhá).
• Látka K, kterou můžeme vnést do reakční směsi látek A
a B je naproti tomu schopna např. reakcí:
A + K Æ AK (aktivační energie G1*)
(6)
(7).
AK + B Æ C + D + K (aktivační energie G2*)
• Obě tyto reakce mají aktivační energie, jež splňují
podmínky:
(8)
G1* << G* a zároveň G2* << G*
Katalyzátory – vliv na průh reakce
• Za přítomnosti katalyzátoru se může reakce
uskutečnit tímto složitějším, avšak z hlediska
aktivačních energií výhodnějším, a proto
rychlejším dějem.
• Celkové změny Gibbsovy energie při obou
reakčních cestách, katalyzované i
nekatalyzované, jsou stejné.
• V souladu s požadavky termodynamiky
nezávisejí tyto změny stavové veličiny na tom,
jakou cestou byly uskutečněny.
• Na druhé straně katalyzátor nijak neovlivní
polohu chemické rovnováhy.
Specifický katalyzátor
• Při využití katalyzátoru na citlivých vrstvách senzorů má
velký význam rozdělení katalyzátorů na specifické a
nespecifické.
• Specifický katalyzátor ovlivňuje rychlost zcela určité
reakce, popř. několika reakcí přesně specifikovaného
druhu.
• Takový katalyzátor zvyšuje selektivitu senzoru při
detekci určité látky.
• Katalýza se dělí na homogenní a heterogenní.
• Při homogenní katalýze jsou reaktany i katalyzátor
složkami jediné fáze
• Při heterogenní jsou ve fázích rozdílných.
• V senzorové technice bez výjimky nastává případ druhý
(interakce plynných složek s částečkami kovu na
povrchu aktivní vrstvy).
Role katalyzátoru na aktivní vrstvě
a) roztrušovací efekt, b) změna polohy Fermiho meze
Roztrušovací efekt
•
•
•
•
•
•
V případě (a) je role katalyzátoru „chemická“.
Dochází totiž k tomu, že kovový katalyzátor disociuje molekulu
detekovaného plynu na menší fragmenty nebo jednotlivé atomy,
které se mohou „roztrousit“ po povrchu aktivní vrstvy a případně
reagovat s adsorbovanými atomy kyslíku.
Reakcí s povrchově sorbovaným kyslíkem se, jak již víme, mění
elektrický charakter rozhraní mezi jednotlivými zrny a tím i odpor
senzoru.
Stejně tak ovšem katalyzátor v tomto případě disociuje i molekulu
kyslíku a je tedy zdrojem povrchově adsorbovaných atomů kyslíku
nezbytných pro detekci.
Katalyzátor tak napomáhá vlastnímu spalovacímu procesu, který
probíhá na povrchu aktivní vrstvy mimo něj.
Celý proces je dvoukrokový a zahrnuje jednak disociaci molekul na
katalyzátoru a jednak difúzi tj. „roztroušení“ produktů disociace po
povrchu aktivní vrstvy.
Změna polohy Fermiho meze
•
•
•
•
•
V případě (b) se naproti tomu jedná o elektronickou interakci, kdy se
molekula detekovaného redukujícího plynu naváže na katalyzátor,
dodá do něj volné elektrony, a protože je kovový katalyzátor dobrým
vodičem, dodá v dalším kroku katalyzátor elektrony do aktivní
vrstvy.
Tím dojde ke stejné změně elektrického charakteru rozhraní mezi
jednotlivými zrny jako v předchozím případě.
Stejně tak ovšem při navázání molekuly kyslíku dojde k odčerpání
elektronů z katalyzátoru a tím i z aktivní vrstvy.
To znamená, že rozhodující proces probíhá přímo na ostrůvcích
katalyzátoru a je jednokrokový.
Ostrůvky kovového katalyzátoru v tomto případě zprostředkovávají a
usnadňují přenos náboje.
Selektivní membrány
• Významným problémem, který limituje v některých
případech použití chemických senzorů vodivostního
typu, je nízká selektivita při detekci různých tříd
redukujících plynů.
• Jednou z možností zvýšení selektivity je přidání
vhodných dopantů a katalyzátorů do základního
materiálu aktivní vrstvy.
• Přidáním takových příměsí se zvýší chemická afinita
systému k některé detekované složce nebo specifický
katalyzátor sníží aktivační energii spalovací reakce určité
složky.
• Jinou možností zvýšení selektivity je použití filtru nebo
membrány, které fyzikální nebo i chemickou cestou
zachytí interferující molekuly a k aktivní vrstvě propustí
pouze ty, které jsou určeny k detekci.
Selektivní membrány
• Filtr tvořený molekulovými síty- zeolity.
• Zeolity jsou po chemické stránce
hlinitokřemičitany, jejichž struktura je tvořena
čtyřstěny SiO4 a AlO4.
• Dva sousedící čtyřstěny mají vždy společný
pouze jeden vrchol v podobě atomu kyslíku.
• Krystaly hlinitokřemičitanů mají pravidelnou
strukturu, ve které jsou póry (kanály)
uniformního tvaru, procházející napříč celým
krystalem.
Mordenit – molekulové síto
Zeolitové filtry
• Selektivita zeolitového filtru má původ v efektech dvojího
druhu: (i) fyzikálního, (ii) chemického.
• Příspěvek fyzikálních efektů (i) vyplývá z toho, že šířka
kanálů je srovnatelná s rozměry nejmenších molekul.
• Molekuly mohou vyplnit kanál a jsou tedy zeolitem
sorbovány, zatímco větší molekuly nikoli.
• Takovým způsobem je možné z plynné směsi
přicházející k detektoru přes vrstvu práškového
hlinitokřemičitanu "vychytat" např. molekuly vodíku nebo
vody, kdežto třeba molekula hexanu projde.
• Mezi skeletem zeolitu a sorbovanou molekulou jsou van
der Waalsovy interakce.
Chemická interakce zeolitu
• Za určitých podmínek však může vzniknout interakce
silnější, která má již chemickou povahu (ii).
• Přítomnost atomů Al ve skeletu vyvolá vznik negativně
nabitých míst.
• Na takto nabitá místa se budou přednostně sorbovat
polární molekuly např. alkoholů a budou vázány pevněji
než třeba nepolární uhlovodíky.
• Čím více Al bude zeolit obsahovat, tím větší bude jeho
schopnost zachytávat polární molekuly.
• Zeolitový filtr tedy může do určité míry separovat
molekuly jak podle velikosti, tak i podle jejich
chemického chování.
Využití zeolitových filtrů u senzorů
• Obě možnosti se využívají při aplikacích v oblasti senzorů.
• Zeolitová vrstva je někdy nanesena přímo na aktivní vrstvu
senzoru, v jiných případech je plynná směs směřující k
detektoru vedena přes zvláštní celu vyplněnou práškovým
zeolitem.
• Vzhledem k omezené sorbční kapacitě zeolitového filtru
dojde po určité době k jeho nasycení zachytávanou
složkou.
• Pak se musí filtr regenerovat při teplotě 200 – 400°C
(závisí na okolnostech).
• To představuje hlavní nevýhodu použití zeolitových filtrů
obecně: nemohou totiž pracovat kontinuálně po dlouhou
dobu, ale naopak se musí dodržovat režim cyklicky
proměnné teploty, kdy při nižší teplotě nastává sorbce
interferující složky a při vyšší teplotě její desorbce, tzv.
regenerace filtru.
Membrány s katalytickým
spalováním
• Kromě selektivních membrán pouze zachytávajících
interferující složky byly odzkoušeny také povrchové
membrány, na kterých se tyto složky selektivně
katalyticky spalují.
• Základní výhodou membrán s katalytickým spalováním
je jejich schopnost pracovat kontinuálně (na rozdíl od
zeolitových filtrů se nemusí regenerovat).
• Pro jeden senzor postačuje jediný topný člen.
• Nevýhodou je menší flexibilita vlastností, protože
parametry zeolitů lze měnit ve skutečně širokém
rozmezí.
Příklad senzoru využívajícího membránu
s katalytickým spalováním
• Příkladem je senzor, který má jako aktivní vrstvu
cca 300 nm reaktivně naprášeného SnO2,
následuje oddělovací "separační" vrstva Al2O3,
který je při detekci inaktivní a na této separační
vrstvě je opět reaktivně naprášen CuO. Senzor
je zahříván na 350 °C
• CuO je velmi účinný katalyzátor spalování
ethanolu.
• Proto připravený senzor dokáže dobře detekovat
např. CO při současné přítomnosti ethanolových
par.