Spis treści Definicja czujnika Podział czujników Wymagania użytkowe i analityczne Czujniki chemiczne...

Podobne dokumenty
PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 20/14

PLAN STUDIÓW NR II PROFIL OGÓLNOAKADEMICKI POZIOM STUDIÓW: STUDIA DRUGIEGO STOPNIA (1,5-roczne magisterskie) FORMA STUDIÓW:

Uchwała Senatu Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego. Nr 147/2012/2013. z dnia 8 lipca 2013 r.

Opracował: Marcin Bąk

NOWOŚCI DLA MATURZYSTÓW STYCZEŃ 2013

Kryteria oceniania z chemii kl VII

OFERTA TEMATÓW PROJEKTÓW DYPLOMOWYCH (MAGISTERSKICH) do zrealizowania w Katedrze INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

Rok akademicki: 2015/2016 Kod: RBM SE-s Punkty ECTS: 2. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

WYMAGANIA PROGRAMOWE Z CHEMII DLA KLASY II. Ocena Semestr I Semestr II

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

Nowe liceum i technikum REFORMA 2019

Tytuł projektu: Jak wzbić się do nieba?

uczeń opanował wszystkie wymagania podstawowe i ponadpodstawowe

prof. dr hab. Zbigniew Czarnocki Warszawa, 3 lipca 2015 Uniwersytet Warszawski Wydział Chemii

Treści wykraczające poza podstawę programową. Omawia technikę lotu balonem w kontekście zmian gęstości powietrza i temperatury.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

PLAN STUDIÓW NR IV PROFIL OGÓLNOAKADEMICKI POZIOM STUDIÓW: STUDIA DRUGIEGO STOPNIA (1,5-roczne magisterskie) FORMA STUDIÓW:

(zwane również sensorami)

HETEROGENICZNOŚĆ STRUKTURALNA ORAZ WŁAŚCIWOŚCI ADSORPCYJNE ADSORBENTÓW NATURALNYCH

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

Spis treści. Analiza i modelowanie_nowicki, Chomiak_Księga1.indb :03:08

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

RECENZJA PRACY DOKTORSKIEJ PANA MGR MARCINA KOBIELUSZA

Struktura i treść rozprawy doktorskiej

EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA W TRANSPORCIE LABORATORIUM Ćwiczenie 5. Temat: Ocena skuteczności działania katalitycznego układu oczyszczania spalin.

dr hab. inż. Katarzyna Materna Poznań, Wydział Technologii Chemicznej Politechnika Poznańska

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Transport Studia I stopnia. Ekologiczne aspekty transportu Rodzaj przedmiotu: Język polski.

PLAN STUDIÓW NR V PROFIL OGÓLNOAKADEMICKI POZIOM STUDIÓW: STUDIA DRUGIEGO STOPNIA (1,5-roczne magisterskie) FORMA STUDIÓW:


Krzysztof Stańczyk. CZYSTE TECHNOLOGIE UśYTKOWANIA WĘGLA

Kierunek: Paliwa i Środowisko Poziom studiów: Studia II stopnia Forma studiów: Stacjonarne. Wykład Ćwiczenia

Troska o powietrze atmosferyczne

Streszczenie rozprawy doktorskiej MODEL FUNKCJONOWANIA GOSPODARKI KREATYWNEJ W PROCESIE WZROSTU GOSPODARCZEGO

ISBN (wersja online)

KONSPEKT LEKCJI Z CHEMII KLASA II. opracowała Aldona Pawłowska I ANALIZA MATERIAŁU NAUCZANIA II CELE NAUCZANIA III WYMAGANIA PROGRAMOWE IV TOK LEKCJI

Postawy: Uczeń: - Odpowiada za bezpieczeństwo własne i kolegów, - Jest dociekliwy i dokładny, - Wykazuje postawę badawczą.

Pracownia. Cwiczenie 23

Projekt interdyscyplinarny Metale wokół nas - - Uczeń: Uczeń: + Chemia

INNOWACYJNE MATERIAŁY DO ZASTOSOWAŃ W ENERGOOSZCZĘDNYCH I PROEKOLOGICZNYCH URZĄDZENIACH ELEKTRYCZNYCH

EWA PIĘTA. Streszczenie pracy doktorskiej

Wpływ składu mieszanki gazu syntetycznego zasilającego silnik o zapłonie iskrowym na toksyczność spalin

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

WYMAGANIA NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE Z CHEMII klasa I

Powtórzenie wiadomości z kl. I

Załącznik nr 2 do uchwały nr 95/17 Sejmiku Województwa Mazowieckiego z dnia 20 czerwca 2017 r.

4. ODAZOTOWANIE SPALIN

Czujniki katalityczne Dräger Cat Ex-Sensor Czujniki DrägerSensors

Recenzja pracy doktorskiej mgr Tomasza Świsłockiego pt. Wpływ oddziaływań dipolowych na własności spinorowego kondensatu rubidowego

RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Podstawowe pojęcia i prawa chemiczne

Gdańsk, 10 czerwca 2016

Moduły kształcenia. Efekty kształcenia dla programu kształcenia (kierunku) MK_06 Krystalochemia. MK_01 Chemia fizyczna i jądrowa

Nauka o Materiałach dr hab. inż. Mirosław Bućko, prof. AGH B-8, p. 1.13, tel

Znaczenie audytów efektywności energetycznej w optymalizacji procesów energetycznych

Czynniki wpływające na szybkość reakcji

Rola CHEMII w zapewnieniu bezpieczeństwa żywnościowego na świecie VI KONFERENCJA NAUKA BIZNES ROLNICTWO

PRZYKŁADY INSTALACJI DO SPALANIA ODPADÓW NIEBEZPIECZNYCH

Załącznik 1. Propozycja struktury logicznej Programu (cele i wskaźniki)

Kontrolowane spalanie odpadów komunalnych

PROTOKÓŁ NR 10. Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych maszyn

Plan kierunku. język wykładowy przedmiotu. dydaktycznych. rodzaj zajęć. kształcenie na odległość. wykład /

Ćwiczenie 12 KATALITYCZNE ODWODORNIENIE HEPTANU

Fascynujący świat chemii

PL B BUP 23/17. KONSTANTY MARSZAŁEK, Kraków, PL ARTUR RYDOSZ, Olszanica, PL WUP 08/18. rzecz. pat.

Alpa Gas System dla garaży

PANEL SPECJALIZACYJNY Kataliza przemysłowa i adsorbenty oferowany przez Zakład Technologii Chemicznej

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Tytuł rozprawy: Prof. dr hab. inż. Jerzy Michalski Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wydział Inżynierii Produkcji

Granulowany węgiel aktywny z łupin orzechów kokosowych: BT bitumiczny AT - antracytowy 999-DL06

wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne substancji

Prof. dr hab. inż. Zygmunt Kowalski Kraków Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk

PLAN STUDIÓW NR VI. STUDIA PIERWSZEGO STOPNIA (3,5-letnie inżynierskie)

Wymagania edukacyjne z chemii

Klasa 1 Wymagania programowe na poszczególne oceny. I. Substancje i ich przemiany

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Wymagania programowe na poszczególne oceny

TEST SPRAWDZAJĄCY Z CHEMII

Szczecin, 4 marca 2016 r.

STRESZCZENIE. rozprawy doktorskiej pt. Zmienne jakościowe w procesie wyceny wartości rynkowej nieruchomości. Ujęcie statystyczne.

TERMOCHEMIA SPALANIA

w tym Razem wykłady konwer. labolat. ćwicz. w tym labolat. Razem wykłady konwer.

Badania wybranych nanostruktur SnO 2 w aspekcie zastosowań sensorowych

III. TREŚCI NAUCZANIA

Wymagania edukacyjne na poszczególne śródroczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

1. Analiza i ocena rozprawy

Mieszanka paliwowo-powietrzna i składniki spalin

MAKROKIERUNEK NANOTECHNOLOGIE i NANOMATERIAŁY

CHEMIA NIEORGANICZNA. Andrzej Kotarba Zakład Chemii Nieorganicznej Wydział Chemii I piętro p. 138 WYKŁAD -1

1. W źródłach ciepła:

Katalityczne spalanie jako metoda oczyszczania gazów przemysłowych Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 18

Wpływ temperatury na rozmiary ciał stałych oraz objętości. cieczy i gazów.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

SKRYPTY ZAJĘĆ Z CHEMII SZKOŁA PONADGIMNAZJALNA

M.o~. l/i. Liceum Ogólnokształcące im. Jana Kochanowskiego w Olecku ul. Kościuszki 29, Olecko

Recenzja(rozprawy(doktorskiej(( Pana(mgr(inż.(Jacka(Mojskiego(

PRAKTYCZNE METODY BADANIA NIEWYPŁACALNOŚCI ZAKŁADÓW UBEZPIECZEŃ

Ćwiczenie nr 5: BADANIE CHARAKTERYSTYK TEMPERATUROWYCH REZYSTANCYJNYCH ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH

Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej

forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W, 1L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Transkrypt:

Spis treści SPIS TREŚCI Wstęp... 7 Spis najważniejszych użytych w pracy terminów, skrótów i symboli... 10 Część I 14 1. Czujniki pomiarowe... 14 1.1. Definicja czujnika... 14 1.2. Podział czujników... 15 1.3. Wymagania użytkowe i analityczne... 17 2. Czujniki chemiczne... 19 2.1. Definicja i klasyfikacja... 19 2.2. Historia i współczesność czujników chemicznych... 23 Literatura cytowana... 38 3. Procesy adsorpcyjne i katalityczne w detekcji gazów... 42 3.1. Wprowadzenie... 42 3.2. Procesy adsorpcyjne... 45 3.3. Procesy katalityczne w detekcji... 68 Literatura cytowana... 85 Część II 4. Rezystancyjne czujniki gazowe... 91 4.1. Ogólna charakterystyka... 91 4.2. Mechanizm działania rezystancyjnych czujników gazowych... 93 4.3. Otrzymywanie tlenków półprzewodzących z przeznaczeniem na warstwy gazoczułe..... 105 4.4. Konstrukcje rezystancyjnych czujników gazowych... 113 4.4.1. Czujniki ceramiczne... 114 4.4.2. Czujniki grubowarstwowe... 115 4.4.3. Czujniki cienkowarstwowe... 124 Literatura cytowana... 125 Część III 5. Oddziaływania tlenu i pary wodnej z tlenkami półprzewodzącymi... 134 5.1. Wprowadzenie... 134 5.2. Właściwości adsorpcyjne materiałów gazoczułych w odniesieniu do tlenu 134 5.3. Katalityczny dowód na obecność ad-atomów tlenu na powierzchni SnO 2 147 5.4. Oddziaływanie pary wodnej z materiałami gazoczułymi... 156 Literatura cytowana... 167 5

Spis treści 6. Aktywność katalityczna materiałów gazoczułych a ich właściwości detekcyjne... 171 6.1. Wprowadzenie... 171 6.2. Wpływ aktywności katalitycznej SnO 2 na czułość sensorów... 174 6.3. Wpływ przemian chemicznych zachodzących podczas procesu detekcji na czułość działania sensorów... 188 6.4. Sensory z katalizatorów typu metal/tlenek półprzewodzący... 204 6.4.1. Rola zjawiska spillover tlenu w mechanizmie działania czujników zbudowanych z Pt/SnO 2... 208 6.4.2. Wpływ warunków przygotowania katalizatorów Pt/SnO 2 na czułość wykonanych z nich sensorów gazwych... 221 6.5. Związek między selektywnością katalityczną a selektywnością działania czujnika..... 229 Literatura cytowana... 238 7. Rezystancyjne czujniki lambda... 247 7.1. Wprowadzenie... 247 7.2. Mechanizm powstawania sygnału pomiarowego w rezystancyjnych czujnikach lambda... 252 7.3. Czujniki lambda z katalizatorów Pt/TiO 2... 256 Literatura cytowana... 268 8. Zastosowanie rezystancyjnych czujników gazowych w badaniach mechanizmów reakcji... 270 Literatura cytowana... 279 9. Podsumowanie... 282 6

WSTĘP We współczesnej nauce i technice szczególnie owocne bywają nietypowe zastosowania znanych już materiałów chemicznych, a także przeniesienie teorii opisujących pewne zjawiska z jednej dziedziny nauki do drugiej. Zagadnienia dotyczące czujników gazowych lub bardziej ogólnie czujników chemicznych, pochodzą z różnych dziedzin naukowo-badawczych, takich jak: fizyka i chemia ciała stałego, elektronika, inżynieria materiałowa, biologia czy kataliza i są doskonałym przykładem interdyscyplinarności tej tematyki. Kataliza w powszechnym odczuciu kojarzy się z przyspieszaniem reakcji chemicznej oraz sposobem wytwarzania różnych produktów chemicznych. Szacuje się, że blisko 90% tych produktów powstaje na drodze procesów katalitycznych. Z ich pomocą produkuje się m.in.: włókna syntetyczne, nawozy sztuczne, paliwa, lekarstwa, tworzywa sztuczne i wiele innych. Wartość produkcji uzyskanej na tej drodze szacuje się na biliony dolarów. Kataliza i katalizatory to nie tylko wielkotonażowa produkcja, to również wydajne metody usuwania zanieczyszczeń towarzyszących działalności człowieka, jak i często sposób na efektywną pracę różnych urządzeń. Doskonałym przykładem są tutaj półprzewodnikowe czujniki gazowe, bez których trudno sobie wyobrazić współczesne systemy detekcji gazów toksycznych czy wybuchowych. Zjawiska adsorpcji i katalizy są jednymi z podstawowych zjawisk wykorzystywanych w procesie detekcji gazów za pomocą czujników, w których warstwę receptorową stanowi powierzchnia ciała stałego czujniki SSGS (ang. Solid State Gas Sensors). Rola i znaczenie wspomnianych zjawisk jest najpełniej widoczna w przypadku czujników wykonywanych ze spieków ceramicznych, otrzymywanych z układów typu metal/nośnik. Tlenek półprzewodzący z naniesioną warstwą metaliczną jest rodzajem katalizatora, który w procesie detekcji katalizuje reakcję chemiczną między oznaczanym gazem a tlenem z powietrza. W wyniku tego procesu powstaje sygnał pomiarowy, który po odpowiednim przetworzeniu informuje o obecności i stężeniu oznaczanego gazu. Proces ten jest ściśle związany z mechanizmem działania katalizatora heterogenicznego. Rozwój katalizy datuje się od początku XIX wieku, a termin kataliza został użyty po raz pierwszy w 1836 roku przez J. Berzeliusa. Przez blisko 200 lat rozwoju tej gałęzi nauki został nagromadzony i opracowany niezliczony materiał doświadczalny, który stał się podstawą do opracowania różnych teorii opisujących to zjawisko. Natomiast historia półprzewodnikowych czujników gazowych obejmuje praktycznie ostatnie 50 lat. W tym przypadku większość badań była ukierunkowana na konkretne rozwiązania aplikacyjne. W monografii opisano próbę połączenia wiedzy o katalizie heterogenicznej z gałęzią nauki i techniki dotyczącą czujników gazowych. Taki ogólny cel postawił sobie autor, rozpoczynając pisanie niniejszej pracy. 7

Monografia poświęcona jest głównie rezystancyjnym czujnikom gazowym konstruowanym z tlenków półprzewodzących, na których powierzchnie nanoszone są metale spełniające rolę katalizatorów. Najwięcej miejsca poświęcono układom Pt/SnO 2 oraz Pt/TiO 2. Należy w tym miejscu podkreślić szczególne znaczenie takich układów w katalizie. Platyna naniesiona na tlenek tytanu (IV) to niezwykle ważny katalizator, stosowany w szeregu różnych procesów związanych z fotokatalizą [1-4], utlenianiem [5-9] i uwodornieniem węglowodorów [10, 11], redukcją NO [12] i wielu innych. Z drugiej strony, Pt/TiO 2 to podstawowy materiał stosowany w budowie rezystancyjnych czujników tlenu. Natomiast Pt/SnO 2 jest bardzo dobrym katalizatorem niskotemperaturowego utleniania CO [13], selektywnego utleniania CO w obecności H 2 (reakcja PROX) [14] *) oraz szeregu innych reakcji omówionych w monografii. Jednocześnie układ ten, od lat wykorzystywany jest jako warstwa gazoczuła w czujnikach, służących do oznaczania między innymi CO w powietrzu. Mimo, że Pt/SnO 2 i Pt/TiO 2 były w literaturze wielokrotnie opisywane, to w prezentowanej pracy poświęcono im najwięcej uwagi. Zostało to podyktowane chęcią jak najlepszego zilustrowania efektu przeniesienia teorii naukowych z katalizy do sensoryki i wykazania, jak w związku z tym zmieniają się i rozszerzają ogólnie przyjęte mechanizmy działania czujników gazowych. W literaturze specjalistycznej nie ma prac, które by szeroko omawiały związek między katalizą a detekcją. Zamierzeniem autora było również zwrócenie uwagi na istnienie efektu sprzężenia zwrotnego miedzy sensoryką a katalizą. Polega on na tym, że z jednej strony teorie adsorpcji i katalizy mogą być niezwykle pomocne w wyjaśnieniu mechanizmów działania czujników gazowych, z drugiej zaś, analiza sygnałów detekcyjnych może dopomóc w badaniach mechanizmów reakcji katalitycznych. Monografia składa się z trzech części. W części pierwszej dokonano krótkiego wprowadzenia w problematykę czujników pomiarowych, a następnie czujników chemicznych i gazowych. Zdefiniowano termin sensoryka oraz inne najważniejsze terminy, pojęcia i wielkości, konieczne do opisu właściwości sensorów. Przedstawiono podział, budowę oraz mechanizmy działania czujników chemicznych. Dokonano również przeglądu ich historii oraz przedstawiono perspektywy rozwoju. Omówiono wybrane zagadnienia związane z adsorpcją i katalizą, które mają znaczenie dla mechanizmów działania czujników gazowych. W części drugiej przedstawiono mechanizmy działania czujników rezystancyjnych i ich konstrukcje. Analizowano wyniki badań, które dotyczyły wpływu struktury warstw gazoczułych na czułość i stabilność wskazań. Zaprezentowano konstrukcje czujników opracowane w Instytucie Chemii Ogólnej i Ekologicznej PŁ. *) Drukiem pogrubionym zostały zaznaczone prace, w których autor niniejszej monografii jest współautorem lub autorem. Jeżeli w opisie rysunku lub tabeli nie podano odnośnika do literatury to przedstawione wyniki pochodzą z niepublikowanych prac własnych autora monografii. 8

W części trzeciej obok danych literaturowych przedstawiono również prace własne autora, które koncentrowały się wokół zagadnień związanych bezpośrednio z tytułem monografii. Badano i opisano wyniki związane z adsorpcją tlenu na tlenkach półprzewodzących i układach metal/nośnik. Przedstawiono również mechanizmy oddziaływania pary wodnej z powierzchnią sensorów i jej wpływ na ich właściwości detekcyjne. Badano wpływ aktywności katalitycznej warstwy gazoczułej na odpowiedź sensora. Omówiono zastosowanie sensorów gazowych w układach ograniczających emisje toksycznych spalin z silników samochodowych oraz przedstawiono właściwości czujników rezystancyjnych stosowanych w tych układach. Przy badaniu właściwości adsorpcyjno-katalitycznych materiałów użytych do budowy czujników, zastosowano typowe procedury i metody stosowane w badaniach katalizatorów typu metal/nośnik. Otrzymane wyniki zostały odniesione do najnowszych danych literaturowych zarówno z katalizy, jak i sensoryki. Umożliwiło to dyskusję i weryfikację obowiązujących mechanizmów działania rezystancyjnych czujników gazowych. W ostatnim rozdziale monografii przedstawiono rozważania i wyniki ilustrujące efekt wspomnianego wcześniej sprzężenia zwrotnego między sensoryką a katalizą. Podano przykłady jak, poprzez analizę sygnału detekcyjnego, można wnioskować o mechanizmie zachodzących procesów katalitycznych. Autor wyraża nadzieję, że przedstawiona monografia będzie pomocna zarówno osobom, które zajmują się badaniami czujników gazowych, jak i tym, którzy zajmują się adsorpcją i katalizą. Dla pierwszych, szczególnie niechemików, może być rodzajem wprowadzenia w świat katalizy, dla drugich potwierdzeniem i ilustracją faktu, że kataliza to obszar badań, którego wyniki mogą mieć bardzo ważne znaczenie dla dziedzin nauki i techniki, nie zawsze bezpośrednio związanych z chemią. Monografia może być również wprowadzeniem w świat czujników chemicznych dla wszystkich, którzy zajmują się analizą gazów i monitoringiem środowiska. 9