Herstellung und Charakterisierung
Zur Herstellung stehen hier Sol-Gel Verfahren, Magnetron-Sputtern und die Elektronenstrahl-Verdampfung (EB-PVD) zur Verfügung. Zur Charakterisierung der Schichtsysteme besitzt das Institut zahlreiche Möglichkeiten. Darunter befinden sich die thermische Alterung in definierten Atmosphären, REM, EDX, TEM, XRD und ein Sensor- und Katalysatormessplatz (SESAM). Mittels Magnetron-Sputtern können Nanometer-dicke Schichten mit guter Qualität und komplexen Zusammensetzungen erzeugt werden. Mit Hilfe von Maskierungen und Lithographie ist es auch möglich, gezielt Strukturen zu erzeugen. Die Elektronen Strahl Verdampfung stellt eine weitere Herstellungsmöglichkeit zur Realisierung der Bauteilintegration von Sensoren dar. Sie liefert eine außergewöhnliche Mikrostruktur, welche beste Aussichten für eine besondere Sensor und Katalysator Performance zeigt. Die Sol-Gel Methode ist hoch flexibel, und ermöglich es schnell Oxide mit fast beliebiger chemischer Zusammensetzung herzustellen. Diese Methode rundet die Herstellungsmöglichkeiten für Komplexoxide mit Perowskit, Ppinell und Magnetoplumbit Struktur ab, wie sie am Institut untersucht werden. Der speziell konstruierte Sensor- und Katalysator Messplatz (SESAM) kann komplexe Gasgemische aus bis zu acht Einzelgasen und Wasserdampf erzeugen und in einem Quarzglasreaktor auf bis zu 1200 °C erhitzen, bevor es in den Probenraum strömt. Dieser ist volumenvariable, so dass unterschiedliche Versuchsbedingungen erzeugt bzw. verschiedene Probengeometrien untersucht werden können. Zur Charakterisierung steht ein Impedanzspektroskop, ein Potentiostat, ein Massenspektrometer, sowie ein NDIR- und UV/IR-Analysegerät und weitere elektrische Messgeräte zur Verfügung. SESAM ist computersteuerbar, so dass auch längere Messkampagnen durchgeführt werden können.
Katalysatoren
Hier werden emissionsreduzierende und reformierende Katalysator-Schichten erforscht und Fragestellungen an Abgasnachbehandlungs-Systemen zur NOx-Reduzierung als auch an Komponenten zur H2-Gewinnung über Dampf- und Auto-Reformierung behandelt.
Sekundäre Systeme reduzieren die bei der Verbrennung entstandenen Schadstoffe wieder im Abgas. Ihr bekanntester Vertreter ist der Drei-Wege-Katalysator. Er arbeitet allerdings nur vollständig bei stöchiometrischer Verbrennung und deshalb nur unzureichend bei modernen Mager-Verbrennungsprozessen. Für Turbinen, Dieselmotoren und Mager-Verbrennungsprozesse werden neue Konzepte und Materialien benötigt. Vielversprechend sind hierbei die Konzepte der Speicher-Reduktions-Katalysatoren (SR-NOx) und der Selektiven katalytischen Reduktion (SCR). SCR-Katalysatoren werden heute schon in stationären Systemen eingesetzt und arbeiten üblicherweise mit Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel. Als Alternative können nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe als Reduktant eingesetzt werden. Sie bilden weniger ungewünschte Nebenprodukte und sind in heutigen mobilen Systemen leichter verfügbar (Benzin, Kerosin, Erdgas). Gute Alternativen zu den bekannten Edelmetallen tragenden Waschcoats stellen Edelmetall-substituierten Perowskite dar. Sie sind verhältnismäßig billig, besitzen in der Regel eine hochtemperaturstabile Kristallstruktur und sind in ihrer chemischen Zusammensetzung sehr variabel und können Nano-große Edelmetall-Partikeln in ihrem Gitter einbetten. So dass ermöglichen eine langzeitstabile und funktionseffiziente Katalysatormaterial, die in Mageren Verbrennungsumgebungen selbst-regenerative agieren kann.
Die Entwicklung von katalytischen Funktionsschichten zielt auf die Synthese von Wasserstoff durch Kerosin-Reformierung ab, der in Brennstoffzellen-APUs im Flugzeug in Energie für die Bordversorgung emissionsfrei umgesetzt werden kann. Die Schichten ermöglichen die direkte Gewinnung des Brennstoffs aus dem Kerosin ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Treibstofftanks. Brennstoffzellen-APUs versprechen insbesondere eine drastische Reduktion der Schadstoffemissionen im Vergleich zu konventionellen verbrennungsbasierten APUs.
Sensoren
Impedanz-Sensoren stellen einen viel versprechender Ansatz für totale NOx-Detektion. Hier wird der Wechselstromwiderstand des Sensors bei verschieden Frequenzen in Abhängigkeit von der Gasumgebung bestimmt. Hiermit kann verlässliche die gesamte NOx-Menge bestimmt werden. Das Institut entwickelt daher solche Impedanz- sowie Widerstands-NOx-Sensoren. Die Selektivität dieser Sensoren kann durch den gezielten Einsatz von Sensorelementen gesteigert werden. Hierfür eignen sich nanostrukturierte Sensorschichten besonders gut. Erfolgversprechend ist die Nanostrukturierung der Elektroden, indem beispielsweise Nanoröhren aus Metalloxiden oder aus Kohlenstoff verwendet werden. Die Kombination von Beschichtungstechnik mit Nanowerkstoffen ermöglicht die drastische Erhöhung der Oberfläche und damit eine Verbesserung der Sensor- und Speicherkapazität.