ForSt C-TNT

Bildungs- und Stabilisierungsmechanismen von Defekten in Kohlenstoff-dotierten und selbstdotierten Titanat-Nanoröhren.

Autoren: Dr. Haiyan Ta and Assistant Professor Dr. Stefan Schafföner

In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt werden Details zur Defektstruktur von Titanat-Nanoröhren untersucht. Solche Nanoröhren haben Anwendungspotenzial in der Wasserstofftechnologie. Das Material könnte beispielsweise als Katalysatorträger, das heißt als Substrat für die Platinpartikel in PEM-Brennstoffzellen dienen. Dafür sollte es eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen und elektronisch leitfähig sein. Bisher wird als Katalysatorträger Ruß eingesetzt, der diese Anforderungen zwar erfüllt, aber auf Dauer unter den elektrochemischen Bedingungen in einer Brennstoffzelle nicht stabil ist. Die Zersetzung des Katalysatorträgers führt zur Agglomeration oder sogar zum Austrag der Platinpartikel, wodurch in der Zelle aktive Oberfläche verloren geht. Die Lösung könnte daher ein Material sein, dass eine ausrechend hohe spezifische Oberfläche bietet, elektronisch leitfähig und zusätzlich stabil gegen Oxidationsprozesse ist. Von einer japanischen Arbeitsgruppe konnte Ende der 90er Jahre gezeigt werden, dass sich aus Titandioxid über einen relativ einfachen Prozess ein röhrenförmiges Nanomaterial, soganannte Titanat-Nanoröhren herstellen lässt, das aufgrund der Form eine hohe spezifische Oberfläche hat. Da das Material bereits in oxidierter Form vorliegt, ist zu erwarten, dass es im Vergleich zum Ruß in der Brennstoffzelle eine verbesserte Stabilität hat. Ohne weitere Modifizierung sind die Titanat-Nanoröhren jedoch nicht ausreichend leitfähig. An der TH Nürnberg wurde daher ein Verfahren entwickelt um in die Struktur Kohlenstoff einzubringen ohne die hohe spezifische Oberfläche zu verlieren. Elektrische Charakterisierungen zeigen, dass die Nanoröhren eine signifikant verbesserte Leitfähigkeit zeigen, die bezogen auf die Größenordnung dem für Brennstoffzellen geforderten Bereich liegt.

Bisher ist jedoch noch nicht im Detail erforscht, worauf diese Leitfähigkeit zurückzuführen ist. Eine Vermutung ist, dass sich während des Herstellungsprozesses Ti4+ zu Ti3+ reduziert wird, das durch Kohlenstoff stabilisiert wird. Im Rahmen des Projekts soll durch gezielte Veränderung des Materials und über den Vergleich zwischen Kohlenstoff-haltigen und reinen, undotierten Titanat-Nanoröhren untersucht werden, ob solche Defektzustände vorliegen und ob diese die elektronische Leitfähigkeit bewirken. Als Untersuchungsmethoden kommen die Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, Methoden der Thermoanalyse sowie spektroskopische Verfahren zum Einsatz. Die Laufzeit des Projekts beträgt drei Jahre (2021-2024). Die Bearbeitung erfolgt durch einen Doktoranden. Der wissenschaftliche Mitarbeiter wird durch studentische Hilfskräfte unterstützt, die so gleichzeitig die Möglichkeit erhalten bereits in einem frühen Studienabschnitt Einblick in die Forschung und Entwicklung.

Projektleiterin: Prof. Dr. Uta Helbig

Bearbeitung: Dominik Eitel, M. Sc.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft