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Publiziert am 15.09.2009

Leitfähige Röhrchen

 
Carbonisierte Titandioxidnanoröhrchen mit Halbmetall-Eigenschaften steigern die Leistung von Methanol-Brennstoffzellen.

Wenn von Nanoröhrchen die Rede ist, geht es meist um Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Aber nicht alle winzigen Röhren müssen aus Kohlenstoff bestehen: Schichten aus nanoskopischen Titandioxidröhrchen etwa haben sich in den letzten Jahren als interessante Materialien für die Biotechnologie, katalytische Verfahren sowie die Solarzellentechnologie herausgestellt. Während die Halbleiter-Eigenschaften der Röhrenstrukturen eine wichtige Voraussetzung für viele dieser Anwendungen sind, ist ihre begrenzte Leitfähigkeit für andere Einsatzgebiete ein Hindernis.

Eine Forschergruppe von der Universität Erlangen-Nürnberg sowie von der Universität Turku in Finnland hat nun eine einfache Möglichkeit gefunden, den Röhrchen eine metallartige Leitfähigkeit zu verleihen, ohne ihre Struktur zu verändern: Durch Carbonisieren lässt sich sich das Titandioxid zu einer kohlenstoffhaltigen Titanoxycarbid-Verbindung umsetzen. Wie die Forscher um Patrik Schmuki in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, könnte das neuartige Material beispielsweise die Leistungsfähigkeit von Methanol-Brennstoffzellen drastisch erhöhen.

Zur Carbonisierung der Titandioxidröhrchen, behandeln die Forscher sie bei 850 °C mit Acetylen. Dabei entsteht eine kohlenstoffreiche Verbindung mit Halbmetall-Eigenschaften, die zudem deutlich härter ist als vor der Carbonisierung. „Es handelt sich hier aber nicht einfach um eine Dotierung von Titandioxid mit Kohlenstoffatomen,“ stellt Schmuki klar. „Auch wenn die geordnete Röhrenstruktur nahezu unverändert erhalten bleibt, entsteht doch eine neue chemische Verbindung. Dieses Titanoxycarbid kann als eine feste Mischung aus Titancarbid und verschiedenen Titanoxiden interpretiert werden.“ Ihre hohe elektrische Leitfähigkeit sowie günstige elektrochemische Eigenschaften machen diese Nanoröhrchen zu einem interessanten neuen Elektrodenmaterial.

Besonders vielversprechend ist der Einsatz in Methanol-Brennstoffzellen. Bisher erfolgt die Methanol-Oxidation meist an katalytischen Elektroden mit Kohlenstoff als Trägermaterial und Platin oder Ruthenium als Katalysator. „Titandioxid-Nanoröhrchen sind schon seit einigen Jahren als Alternative für den Kohlenstoffträger im Gespräch,“ so Schmuki. „Unser neues, leitfähiges Oxycarbid schlägt diese jedoch um Längen: Träger aus dem Oxycarbid steigern die Aktivität des Katalysators für die Methanol-Oxidation um 700 %.“

Pressemitteilung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Neues Nano-Material eignet sich speziell für Brennstoffzellen

Mit ihren halbleitenden Eigenschaften wecken Schichten aus Titandioxidröhrchen bereits seit einigen Jahren Interesse, da sie beispielsweise für den Einsatz in der Bio- oder der Solarzellentechnik besonders geeignet sind. Nun können sie eine neue Qualität erwerben, die ihnen bisher fehlte: eine elektrische Leitfähigkeit, die der von Metallen gleicht. Ein Team der Universität Erlangen-Nürnberg und der Universität Turku in Finnland borgt dazu die Leitfähigkeit, die Kohlenstoff mitbringt, und baut sie in die Titanverbindung ein. Die Röhrenstruktur bleibt dabei, wie Prof. Dr. Patrik Schmuki vom Erlanger Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik erläutert, nahezu unverändert.

In der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet Schmukis Mitarbeiter Robert Hahn, dass die Verwandlung von halbleitenden zum leitenden Material mittels eines relativ einfachen Verfahrens möglich ist. Die Titandioxid-Nanoröhrchen lassen sich zu einer kohlenstoffhaltigen Titan-Oxycarbid-Verbindung umsetzen. Dazu behandeln die Forscher sie bei 850°C mit Acetylen. Dieser Prozess wird, da eine kohlenstoffreiche Verbindung entsteht, als Carbonisierung bezeichnet. "Es handelt sich aber nicht einfach um eine Dotierung von Titandioxid mit Kohlenstoff­atomen," stellt Schmuki klar. "Auch wenn die geordnete Röhrenstruktur kaum verändert wird, entsteht doch eine neue chemische Verbindung. Dieses Titan-Oxycarbid kann als eine feste Mischung aus Titancarbid und verschiedenen Titanoxiden interpretiert werden."

700 Prozent besser

Das Carbonisieren schafft einen neuartigen Werkstoff mit halbmetallischen Eigenschaften, der zudem deutlich härter ist als die Ausgangsverbindung. Seine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie günstige elektrochemische Charakteristika machen ihn zu einem interessanten neuen Elektrodenmaterial. Besonders attraktiv erscheint der Einsatz in Methanol-Brennstoffzellen, deren Leistungsfähigkeit drastisch erhöht werden könnte: Auf 700 Prozent schätzt Prof. Schmuki die Steigerung der Aktivität des Katalysators für die Methanol-Oxidation. "Als Alternative für Kohlenstoff als übliches Trägermaterial an katalytischen Elektroden sind Titandioxid-Nanoröhrchen schon seit längerem im Gespräch," so Schmuki. "Aber unser neues leitfähiges Oxycarbid schlägt dies um Längen."

Die Universität Erlangen-Nürnberg, gegründet 1743, ist mit 26.000 Studierenden, 550 Professorinnen und Professoren sowie 2000 wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte Universität in Nordbayern. Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen an den Schnittstellen von Naturwissenschaften, Technik und Medizin in engem Dialog mit Jura und Theologie sowie den Geistes-, Sozial- und Wirtschaftswissenschaften. Seit Mai 2008 trägt die Universität das Siegel "familiengerechte Hochschule".