Gassensorik Neuer Verbundwerkstoff fungiert als CO2-Sensor

Der winzige CO2-Sensor der ETH-Forschenden: Chip mit einer dünnen Schicht des Polymer-Nanopartikel-Verbundmaterials.
Der winzige CO2-Sensor der ETH-Forschenden: Chip mit einer dünnen Schicht des Polymer-Nanopartikel-Verbundmaterials.

Wissenschaftler haben ein Polymer-Nanopartikel-Verbundmaterial entwickelt, das seine Leitfähigkeit ändert, je nachdem wie hoch die CO2-Konzentration in der Umgebung ist. Daraus entstanden ist ein CO2-Sensor, der sehr viel kleiner, einfacher konstruiert und energiesparender ist, als bestehende Sensoren.

Der neue Sensor, den Materialwissenschaftler der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam gemeinsam entwickelt haben, besteht aus einem neuentwickelten Verbundwerkstoff, der mit CO2-Molekülen wechselwirkt und in Abhängigkeit der CO2-Konzentration in der Umgebung seine Leitfähigkeit ändert. Die ETH-Wissenschaftler haben mit dem Material Sensor-Chips gebaut, mit denen sie mit einer einfachen Messung des elektrischen Widerstands die CO2-Konzentration eruieren können – und das in einer großen Bandbreite: von der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre von 0,04 Volumenprozent bis zu 0,25 Volumenprozent.

Grundlage des Verbundwerkstoffs sind kettenförmige Makromoleküle (Polymere), die sich aus bestimmten Salzen zusammensetzen. Diese Salze heißen »ionische Flüssigkeiten« und sind bei Umgebungstemperatur flüssig und leitfähig. Die daraus hergestellten Polymere haben den für Laien irreführenden Namen »polyionische Flüssigkeiten« – obwohl sie nicht flüssig, sondern fest sind.

Unerwartete Eigenschaften

Auf unterschiedlichen Anwendungsfeldern – darunter die Batterieforschung und die CO2-Speicherung – untersuchen Wissenschaftler weltweit derzeit diese polyionischen Flüssigkeiten. Aus dieser Forschung ist bekannt, dass polyionische Flüssigkeiten CO2 adsorbieren können. »Wir fragten uns, ob wir diese Eigenschaft nützen könnten, um Informationen über die CO2-Konzentration in der Luft zu erhalten und damit einen neuen Typ von Gassensoren zu entwickeln«, sagt Christoph Willa, Doktorand am Laboratorium für Multifunktionsmaterialien.

Erfolgreich waren Willa und Dorota Koziej, Oberassistentin am selben Laboratorium, schließlich, indem sie die Polymere mit bestimmten anorganischen Nanopartikeln mischten, die ebenfalls mit CO2 wechselwirken. Aus den beiden Materialien stellten die Wissenschaftler einen Verbundwerkstoff her. »Weder das Polymer noch die Nanopartikel einzeln sind elektrisch leitend«, sagt ETH-Doktorand Willa. »Doch als wir die beiden Komponenten in einem bestimmten Verhältnis mischten, nahm die Leitfähigkeit rapide zu.«