Katalytisch aktives Bauelement für Thermoionisations- detektoren zum Nachweis von halogenhaltigen Verbindungen und Verfahren zur Herstellung eines oxidkeramischen Werkstoffs für das Bauelement

Die Erfindung betrifft katalytisch aktive Bauelemente für Thermoionisationsdetektoren zum Nachweis von halogenhaltigen Verbindungen und ein Verfahren zur Herstellung eines oxidkeramischen Werkstoffs für diese Bauelemente. Dabei ist ein Bauelement aus einem oxidkeramischen Sinterwerkstoff gebildet und für die Anwendung in hochempfindlichen Ionisationsdetektoren geeignet. Der oxidkeramische Sinterwerkstoff weist ein verbessertes Gefüge gegenüber herkömmlichen tech- nischen Lösungen auf.

Das erfindungsgemäße Bauelement ist insbesondere vorteilhaft für Detektoren in der Gaschromatographie, wobei der Werkstoff als katalytisch aktives Bauele- ment eines selektiven Ionisationsdetektors zum Nach-

weis von halogenhaltigen Verbindungen besonders geeignet ist. Der Werkstoff wird bei hohen Temperaturen im Bereich zwischen 700 und 1000 ⁰ C eingesetzt. Er ist dabei chemisch und mechanisch stabil und auch für den erforderlichen Langzeitbetrieb geeignet.

Ein Ionisationsdetektor ist ein analytisches Nachweisgerät, in dem gasförmige Komponenten bei erhöhter Temperatur ionisiert und durch den entstehenden Io- nenstrom detektiert werden.

Die Natur des Ionisierungsmechanismus, der in diesen Vorrichtungen abläuft, ist bisher nicht eindeutig geklärt. Eine Theorie geht dahin, dass die Ionisation des nachzuweisenden Stoffes an der Oberfläche des ka- talytisch aktiven Bauelements bei erhöhter Temperatur stattfindet. Das katalytisch aktive Bauelement des Detektors ist ein spezieller Werkstoff, der Alkaliatome enthält. Es wird dabei angenommen, dass die Al- kaliatome als katalytisch aktive Zentren wirken, die die Ionisation des nachweisenden Stoffes verursachen.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Werkstoffe und Herstellungstechnologien für aktive EIe- mente in selektiven Ionisationsdetektoren bekannt.

So ist es bekannt (P. L. Patterson, US-Patent 4203726, 05/1980), Tonerdekeramik mit den darin enthaltenen natürlichen Alkaliverunreinigungen zu verwenden. Mit diesem Werkstoff ergibt sich aber oft das Problem, dass die erforderliche Sensoreigenschaft nur für eine relativ kurze Betriebsdauer möglich ist. Es wird versucht, diesem Nachteil dadurch entgegen zu wirken, dass die Tonerde mit einer wässrigen Lösung, die ein Alkalimetallsalz enthielt, getränkt wird.

Diese synthetischen alkalihaltigen Verbindungen können zu einer verlängerten Betriebsdauer des Elements führen. So werden synthetische Alkalialuminiumsili- katgläser wie beispielsweise Li ₂ OiAl ₂ O ₃ ISiO ₂ = 1:1:2 verwendet, um positive Ionen in Ionisationsdetektoren zu erzeugen. Das gelingt insbesondere, wenn der Werkstoff auf Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes des Alkaliglases erhitzt wird (J. P. Blewett, E. J. Jones „Filament Sources of Positive Iones"; Pysical Re- view, 50 (1936) 484).

Im Jahre 1951 hat C.W. Rice (US-Patent 2550498) eine Vorrichtung zum elektrischen Nachweis von Dämpfen gewisser Substanzen beschrieben, bei der als Werkstoff Natrium- und Kaliumsilikate Na ₂ SiO ₃ und K ₂ SiO ₃ sowie synthetische Leucite Li ₂ O:Al ₂ O ₃ : SiO ₂ =I: 1:2 vorgeschlagen werden.

Alkalisulfate wurden zur Herstellung der alkalihalti- gen aktiven Elemente als besonders geeignet gefunden. Andere Arten von Alkaliverbindungen, die verwendet wurden, sind Alkalikarbonate, AlkaliHalogenide und Alkaliiodide.

Zum spezifischen Detektieren von Stickstoff- und Phosphor-Verbindungen wurden Alkali-Keramik- Mischungen eingesetzt, die aus 6 Gew.-% Rb ₂ SO ₄ und 94 Gew.-% Keramikzement (Ist Super Refractory Cement C- 10 der Firma Dylon Industries, Inc., Cleveland, Ohio, USA) bestehen (P. L. Patterson, US-Patent 4203726, 05/1980) .

Ein wesentlicher Nachteil von Detektoren mit derartigen katalytisch aktiven Werkstoffen besteht in einer ungenügenden Empfindlichkeit, was ihren Betrieb und ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzt.

Um diesen Nachteil dieser aktiven Elemente entgegenzuwirken, wurden Werkstoffe mit mehreren unterschiedlichen Alkalimetallen eingesetzt.

Es wird ferner angenommen, dass die Menge der Alkalimetalle in der Keramik von der vorgesehenen Verwendung des aktiven Keramikelements abhängt und demzufolge von Spurkonzentrationen bis zu 40 Gew.-% va- riiert werden kann (R. P. White, B.W. Hermann, R. D. Worden, US-Patent 5498548, 03/1996) .

P. L. Patterson hat in seinem Thermoionisationsdetek- tor eine Mehrschichtionisationsquelle verwendet, um sowohl eine lange Betriebsdauer als auch eine hohe Empfindlichkeit des Sensors zu gewährleisten (P. L. Patterson, US-Patent 4524047, 06/1985) . Dabei werden mehrere Schichten auf einem Heizelement ausgebildet, die jeweils eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, um unterschiedliche Funktionen zu erfüllen. Ein solcher MehrSchichtaufbau erhöht den Herstellungsaufwand und bereitet bei wechselnden Temperaturen Probleme bzgl. der Haftung und Eigenspannungen.

Die erhöhte Konzentration von Alkalimetallen im Werkstoff hat oft den Nachteil, dass diese Metalle in der Matrix unkontrolliert und nicht homogen verteilt sind.

Außerdem resultiert eine Erhöhung des Alkalimetallgehalts gewöhnlich in einer Herabsetzung des Schmelzpunktes und infolgedessen auch verstärkter Alkali- Abdampfung aus der Oberfläche des Werkstoffes. Dem- entsprechend sind aktive Elemente mit höheren Alkaligehalten bei ihrer Verwendung bei hohen Temperaturen

durch den Beginn des Schmelzens begrenzt.

Die Erhöhung der Alkalimetallenkonzentration im Werkstoff ruft auch eine Herabsetzung der mechanischen Festigkeit und damit der Lebensdauer des Elements hervor.

Außerdem ist es oft schwierig die synthetischen alka- lihaltigen Werkstoffe in gleicher Qualität herzustel- len, so dass eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beim Einsatz mehrerer Detektoren nicht zuverlässig gewährleistet werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein katalytisch aktives Bauelement für Thermoionisationsdetektoren zum Nachweis von halogenhaltigen Verbindungen zur Verfügung zustellen, das thermisch, mechanisch und chemisch dauerhaft stabil ist und eine erhöhte Empfindlichkeit zu den nachweisenden Stoffen aufweist.

Der für die Bauelemente eingesetzte Werkstoff soll dabei in dem die für den Detektor notwendigen optimalen Parameter kontrollierbar einstellbar sein. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.

In Bezug auf das katalytisch aktive Bauelement wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Die ünteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, ein mit oxidkeramischem Sinterwerkstoff gebildetes katalytisch aktives Bauelement für Thermoionisationsdetek-

toren zur Verfügung zu stellen, das aus einer kristallinen Phase und einer amorphen Glasphase besteht, wobei es erfindungswesentlich ist, dass die amorphe Glasphase mit 0,1 bis 20 Gew.-% einer Cäsiumverbin- düng gebildet ist.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch das Zumischen der Cäsiumverbindung eine deutliche Erhöhung der Empfindlichkeit eines entsprechenden Detektors, der aus dem oxidkeramischen Sinterwerkstoff nach der Erfindung hergestellt wird, erreicht wird.

Es hat sich weiterhin gezeigt, dass dann, wenn der Gehalt an der Cäsiumverbindung, die der oxidkerami- sehe Sinterwerkstoff enthält, über 20 Gew.-% steigt, eine Verschlechterung der mechanischen Festigkeit des Werkstoffs bei den erforderlichen Betriebstemperaturen eintritt, so dass ein höherer Cäsiumgehalt nachteilig ist. Bei Gehalten der Cäsiumverbindung un- ter 0,1 Gew.-% werden keine signifikanten Steigerungen in der Empfindlichkeit erreicht, so dass eine Untergrenze von 0,1 wesentlich ist. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass auch dann, wenn der oxidkeramische Werkstoff nur bis zu 10 Gew.-% einer Cäsiumverbin- düng enthält, noch brauchbare Eigenschaften in Bezug auf die mechanische Festigkeit des Werkstoffs bei den Betriebstemperaturen erzielt werden, so dass diese Obergrenze für den erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoff bevorzugt ist.

Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Festigkeit können weiter Partikel aus Platin mit einer Primärpartikelgröße im Nanobereich zugemischt werden. Dadurch kann die Lebensdauer auch bei Einhaltung einer erhöhten Empfindlichkeit verlängert werden. Während des normalen Betriebs eines Detektors verarmt die O-

berfläche des Bauelements an aktiven katalytischen Alkalizentren während des Dauerbetriebs bei den erhöhten Einsatztemperaturen in Folge einer Abdampfung. Demzufolge reduziert sich die Empfindlichkeit der De- tektoren über die Betriebszeit. Dies kann durch die aktivierende Wirkung der zusätzlichen Platinnanopar- tikel verhindert zumindest jedoch reduziert werden.

Da Platin chemisch neutral ist werden während des Sinterprozesses keine Verbindungen mit dem Platin gebildet.

Die homogen verteilten Nanopartikel aus Platin bilden Störstellen in der gesinterten Keramikstruktur. Diese Störstellen begünstigen die Wanderung der leicht beweglichen Alkali-Ionen durch den Werkstoff des Bauelements zu dessen Oberfläche. So können beim Betrieb an der Oberfläche des Bauelements Alkali-Ionen, die vorab entfernt worden sind, ersetzt werden. So kann die Lebensdauer bei Einhaltung einer ausreichenden

Detektionsempfindlichkeit von Thermoionisationsdetek- toren, durch die mögliche Zufuhr von Cäsium-Ionen an die Oberfläche des Bauelements, verlängert werden.

Beim erfindungsgemäß für das katalytische aktive Bauelement eingesetzten Werkstoff ist die kristalline Phase bevorzugt aus Quarz (SiO ₂ ) , Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) und Mullit (2SiO ₂ 3Al ₂ O ₃ ) gebildet. Eine Bildung von CsAlSiO ₄ oder CsAlSi ₂ Oe als eine Nebenphase ist auch möglich.

Es kann ein Anteil an kristalliner Phase bis zu 60 Vol.-% vorhanden sein. Ein höherer Anteil würde zu einer Reduzierung der Empfindlichkeit/Sensitivität bei der Detektion führen.

Bei den Cäsiumverbindungen sind insbesondere die oxidischen Verbindungen des Cäsiums bevorzugt und hier Cs ₂ O. Die Erfindung umfasst aber auch bei den oxidischen Verbindungen des Cäsiums solche mit einer ab- weichenden Oxidationsstufe von Cs ₂ O.

Die Erfindung bietet weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des oxidkeramischen Sinterwerkstoffs für das katalytisch aktive Bauelement.

Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, dass in einer ersten Stufe eine getrocknete Tonerdeporzellankeramikmasse in Pulverform mit einer wässrigen Lösung der Cäsiumverbindung hergestellt wird. Nach Trocknung dieser Masse wird diese dann einer Formgebung unterzogen und bei einer Temperatur von 1100 bis 1400 ⁰ C gesintert.

Beim Herstellungsverfahren ist es dabei besonders wichtig, dass die definierten Sintertemperaturen eingehalten werden, da bei tiefen Temperaturen, d.h. unter 1100 ^C C, die zu sinternde Masse spröde wird und der gesinterte Formkörper eine geringe Empfindlichkeit und eine schlechte Reproduzierbarkeit der Mess- ergebnisse zeigt. Mit steigender Temperatur der Sinterbehandlung der Rohmasse verbessern sich deren mechanische Stabilität und die Ionisationseigenschaften des Detektors. Die Empfindlichkeit des Detektors steigt mit der Temperatur der Thermobehandlung aller- dings nur bis zu einer Sintertemperatur von 1400 ⁰ C an. Höhere Temperaturen haben sich als ungünstig erwiesen. Es hat sich gezeigt, dass es besonders günstig ist, wenn die Thermobehandlung bei 1210 ⁰ C ± 10 ⁰ C durchgeführt wird.

Bei Temperaturen oberhalb 1210 °C sind die Stoffum-

Wandlungsprozesse im Werkstoff abgeschlossen und es steigt dann der Anteil an Kristallphase im Werkstoff weiter an. Dadurch werden die Alkali-Ionen im Werkstoff fest eingebunden, wie z.B. Cäsiumionen in hoch- schmelzendem Polluzit CsAlSi ₂ Oe.

Dadurch reduziert sich die katalytische Aktivität. Bei steigender Sintertemperatur steigt aber auch der Dampfdruck der leichtflüchtigen Alkalikomponenten, wodurch die Konzentration der Alkaliatome und demzufolge auch die katalytische Aktivität zusätzlich reduziert werden.

Aus stofflicher Sicht umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in Bezug auf die Tonerdeporzellankeramikmassen, die in Pulverform eingesetzt werden, alle an und für sich im Stand der Technik bekannten Keramikmassen, so insbesondere Ausgangsmaterialien, wie Feldspat, Kaolin und Tonerde. Bei den Cäsiumverbin- düngen sind insbesondere Cäsiumkarbonat, d.h. eine wässrige Lösung von Cäsiumkarbonat bevorzugt.

Die Gewichtsverhältnisse, in denen die Tonerdeporzellankeramikmassen und die Cäsiumverbindung eingesetzt werden, sind bevorzugt für die Tonerdeporzellankeramikmassen 80 Gew.-% bis 99,9 Gew.-% und für die Cäsiumverbindung 0,1 bis 20 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung. Platinnanopartikel sollten mit einem Anteil von 5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die trockene Masse (gesamte Ausgangsmasse) der eingesetzten Tonerdeporzellankeramik und der Cäsiumverbindung eingesetzt werden. Die eingesetzten Pulver sollten eine mittlere Primärpartikelgröße von 50 nm bis 100 nm aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfüh-

rungsbeispiels und den Figuren 1 bis 6 näher beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1: Herstellung eines oxidkerami- sehen Sinterwerkstoffs für katalytisch aktive Bauelemente:

Es werden 5,78 g CS ₂ CO ₃ , die der Menge von 5 g Cs ₂ O entsprechen eingewogen und in 50 ml deionisiertem Wasser durch Rühren gelöst. Diese Lösung wird mit 95 g eines getrockneten Keramikrohstoffpulvers C130

(Hersteller DWS-Keramik Neuhaus GmbH, Neuhaus Schier- nitz, DE) gemischt und durch sorgfältiges Rühren homogenisiert. Das homogene Material wird bei Raumtemperatur getrocknet.

Ausführungsbeispiel 2: Herstellung eines mit Platin zusätzlich aktivierten oxidkeramischen Sinterwerkstoffs für katalytisch aktive Bauelemente:

95 g getrocknetes Keramikrohstoffpulver C130 werden mit 5,263 g pulverförmigen Platin in einem Mischer gemischt. Das Gemisch wird in 50 ml deiniosiertes Wasser und 5,78 g darin gelöstes CS ₂ CO ₃ gegeben, gerührt und das Gemisch homogenisiert. Das Gemisch wur- de bei Raumtemperatur getrocknet. Die Sinterung erfolgte dann bis eine maximale Sintertemperatur von 1210 ⁰ C erreicht wurde.

Figur 1 zeigt einen DTA-Verlauf beim Sinterprozess;

Figur 2 zeigt ein Röntgendiffraktogramm eines erfindungsgemäß gesinterten Werkstoffs;

Figur 3 zeigt Messergebnisse bei verschiedenen

Sintertemperaturen des Werkstoffs;

Figur 4 zeigt eine EDX-Analyse;

Figur 5 zeigt ein Diagramm der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs als Ionisationsdetektor im Vergleich zum Stand der Technik und

Figur 6 zeigt die Empfindlichkeit eines erfin- dungsgemäßen Detektors für verschiedene

Zusammensetzungen des Werkstoffs.

Mit dem in Figur 1 gezeigten DTA-Verlauf kann ver- deutlicht werden, dass die Umwandlunsgprozesse im Werkstoff für das Bauelement ausgehend vom Rohwerkstoff bis zu einer Temperatur von 1210 ⁰ C ablaufen, so dass die Wärmebehandlung beim Sintern bei einer Temperatur im engen Temperaturbereich 1210 ⁰ C ± 10 ⁰ C besonders günstig ist.

Das Röntgendiffraktogramm des gesinterten Werkstoffes in Figur 2 zeigt die kristallinen Phasen Quarz (SiO ₂ ), Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) und Mullit (2SiO ₂ 3Al ₂ O ₃ ) sowie einen erheblichen Anteil von Glasphase, die für die Funktion des Bauelements wichtig ist.

Die Unterschiede in der Empfindlichkeit des Detektors mit den bei verschiedenen Temperaturen gesinterten aktiven Bauelementen sind in Figur 3 deutlich erkennbar. Es folgt auch aus Figur 3, dass die optimale Sintertemperatur des katalytisch aktiven Bauelements des Detektors bei 1210 ⁰ C liegt.

Aus der in Figur 4 gezeigten EDX-Analyse wird deutlicht, dass die Alkalimetalle vorwiegend in der Glas-

phase des gesinterten Werkstoffes verteilt sind, so dass die katalytische Aktivität des Werkstoffes hauptsächlich durch den Glasanteil gewährleistet ist.

Eine Zumischung von Cäsium zur Tonerdeporzellanmasse verursacht eine deutliche Erhöhung von Empfindlichkeit eines Detektors mit katalytisch aktivem Bauelement.

Der erfindungsgemäß eingesetzte Werkstoff wird aus einer getrockneten Tonerdeporzellankeramikmasse in Pulverform und einer wässrigen Lösung von Cäsiumcar- bonat hergestellt. Dazu wird die wässrigen Lösung von Cäsiumcarbonat mit der Tonerdeporzellankeramikmasse zu einer breiförmigen Masse verarbeitet, sorgfältig homogenisiert, bei der Raumtemperatur getrocknet und geformt und schließlich bei einer Temperatur von 1210±10°C gesintert.

Das Diagramm in Figur 5 zeigt, dass der erfindungsgemäß hergestellte Werkstoff in einem Ionisationsdetektor eine 100-fach größere Empfindlichkeit zu Haloge- nierten Kohlenwasserstoffen aufweist als Vergleichsdetektoren auf dem gleichen Wirkprinzip. Dabei weist er die gleiche Empfindlichkeit für Halogenierte Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlicher Anzahl der Halogenatome auf. Dies deutet darauf hin, dass bei der Ionisation nur einfach geladene Ionen in der Gasphase entstehen.

Figur 6 zeigt, dass die Empfindlichkeit eines Detektors mit dem katalytisch aktiven Bauelement für die Zusammensetzungen (C130) 0.95 (Cs ₂ O) 0.05 und

(C130)o. ₉ (Cs ₂ O) 0.1 vergleichbar ist.

Eine Erhöhung des Cs ₂ θ-Gehaltes über 10 Gew.-% resul-

tiert in einer Verschlechterung der mechanischen Festigkeit des Werkstoffes bei Betriebstemperaturen und ist deshalb nachteilig.