Characterisation and functionality of SnO2 gas sensors using vibrational spectroscopy

Abstract

In the last years the interest in heterogeneous catalysis of semiconducting materials has substantially increased and the relevancy of the catalysis for the understanding of metal oxide chemical gas sensors has been realized. Up to now several investigations on different metal oxides have been carried out, especially on tin oxide (SnO2), which is one of the most attractive materials for metal oxide gas sensors. In spite of the huge number of investigations the CO reaction mechanism on the surface as well as the interfering effect of the present water on the CO sensing mechanisms are not well understood.

The aim of the work was the characterisation of various thick film tin oxide gas sensors (un-doped and Pd-doped sensors) and CO adsorption studies at working conditions of the sensors (elevated temperatures, presence of humidity) using DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transformation) spectroscopy. This special technique proved to provide complementary information to the phenomenological measurements. During this work a special set-up was developed and optimised and this made it possible for the first time to conduct an in-situ characterisation of thick film sensors during gas exposure. Parallel to the DRIFT spectra, the resistance of the sensors was recorded in order to find the correlations between spectroscopic and electrical measurements. Additionally, the electrical measurements provide a reference and make it possible to compare current results with the previous electrical measurements. The results allowed to identify the chemical compounds (as reactants various surface OH, coordinated water, differently adsorbed oxygen species and as products surface carbonates, surface carboxylates and hydrated protons) on the sensor surface involved in the gas sensing process and to clarify the role of the water and dopants. It was found that the intensity of the surface hydrated protons is highly correlated with the sensor signal, which lead to the conclusion that the surface hydrated proton species act as a donor resulting in a higher sensor signal.

In den letzten Jahren hat das Interesse an der heterogenen Katalyse mit Halbleitermaterialen sehr stark zugenommen. Für das Verstehen der Funktionsweise chemischer Gassensoren auf Metaloxidbasis haben sich die Erkenntnisse auf dem Gebiet der Katalyse als hilfreich erwiesen. Bis jetzt wurden sehr viele Untersuchungen auf Metalloxiden durchgeführt, insbesondere auf Zinndioxid, das eines der attraktivsten Materialien für die Metalloxidsensoren ist. Trotz der zahlreichen Untersuchengen ist der Wechselwirkungsmechanismus zwischen CO und der SnO2- Oberfläche so wie der Einfluss der Feuchte auf den Reaktionsmechanismus und die Reaktionskinetik nicht vollständig aufgeklärt.

In dieser Arbeit, wurden unterschiedliche SnO2- Gassensoren (un-dotierte und mit Pd-dotierte) charakterisiert und die CO Adsorptionsvorgänge bei den Arbeitsbedingungen der Sensoren mittels DRIFT (Diffuse Reflektion Infrarot Fourier Transformation) Spektroskopie untersucht. Die besondere Messtechnik stellt den ergänzenden Informationen zu den bisher untersuchten phänomenologische Messungen. Während dieser Arbeit wurden eine Messanordnung entwickelt und optimisiert, die ermöglicht hat, in-situ Messungen an den dick schicht Sensoren während der gas Exposition bei unterschiedliche Temperaturen durchzuführen. Die Ergebnisse zeigten, dass es auf der Oberfläche chemische Verbindungen existieren die bei der Sensorik eine Rolle spielen. Die Messergebnisse erklären die Rolle der Feuchte weitgehend. Diese Arbeit hat ein wichtiger Beitrag für die Einfluss der Feuchte in der Sensorik geliefert.