Methanol-Brennstoffzellen Titandioxid-Nanoröhrchen für Methanol-Brennstoffzellen

Carbonisierte Titandioxidnanoröhrchen mit Halbmetall-Eigenschaften könnten als neues Elektrodenmaterial die Leistung von Methanol-Brennstoffzellen deutlich steigern.

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Schichten aus nanoskopischen Titandioxidröhrchen 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 der Universität Erlangen-Nürnberg sowie der Universität Turku in Finnland hat nun eine einfache Möglichkeit gefunden, den nanoskopischen Titandioxidröhrchen 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 Prozent.“

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