Struktur reiner und platin-bedeckter elektrochemisch oxidierter Titanfolien und ihre Eigenschaften bei Wasserstoffoxidation
El Achhab, Mhamed - Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (2013)
In dieser Arbeit wurden Platin-bedeckte elektrochemisch oxidierte Titanfolien hergestellt und charakterisiert sowie ihre Eigenschaften als Wasserstoff-Sensoren und als Generatoren zur Umwandlung der chemischen Energie der Knallgasreaktion in elektrische Energie untersucht. Die elektrochemische Oxidation mit unüblich hohe Elektrolytkonzentrationen und Spannungen liefert poröse und stabile TiO2-Strukturen, die Voraussetzung für stabile und reversibel arbeitende Wasserstoffsensoren auf der Basis Pt/TiO2/Ti sind, deren Charakteristikum schnelle Ansprech- und Abklingzeiten sind und die auch ohne zusätzliche Heizschicht betrieben werden können.
Rasterelektronenmikroskopie zeigt, dass die Oxidschichten eine komplexe Porenstruktur haben, die von den Bedingungen der elektrochemischen Oxidation ist. XRD-und Ramanspektroskopische Untersuchungen zeigen, dass sie aus Rutil und Anatas mit variablem Phasenanteil bestehen. In Bezug auf die chemische Zusammensetzung zeigt die energiedispersive Röntgen-Analyse fast reines Titanoxid mit Spuren aus Schwefel.
Die Pt/TiO2/Ti-Strukturen zeigen nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit im Durchlassbereich einer Diode (bei positiver Polung des Platins) und eine ausgeprägte Reaktion auf H2. Sie können als empfindliche Detektoren für Wasserstoff in Luft dienen und weisen hochinteressante Eigenschaften für die chemische Sensorik auf. Dies sind: stabiler Betrieb im technisch interessanten Temperaturregime von - 40°C bis + 100°C, schnelles Ansprechen und Abklingen des Sensorsignal im Sekundenbereich und die Verwendung von nur zwei Anschlusskontakten. Mit Hilfe der Mikrokalorimetrie konnte gezeigt werden, dass die Schlüsselreaktion die Oxidation von H2 zu H2O ist, die an der Struktur stattfindet.
Die Analyse der Daten ergibt, dass die Reaktion bezüglich der H2-Konzentration von erster Ordnung ist und eine geringe Aktivierungsenergie ausweist.
An Pt/TiO2/Ti-Strukturen wird bei Wechselwirkung von H2 in Luft eine elektromotorische Kraft erzeugt, die zwischen Pt-Kontakt und Titanfolie auftritt: maximale Stromdichten von 20 mA/cm2 und Spannungen von bis zu 465 mV werden bei Exposition mit 3,5 Vol-% H2 gefunden. Der Effekt wird auf der Grundlage eines physikalisch-chemischen Modells erklärt.