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,“ sagt 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 %.“
Originalveröffentlichung: Patrik Schmuki et al.; "Semimetallic TiO2 Nanotubes"; Angewandte Chemie 2009, 121, No. 39, 7372-7377
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