Struktur und Bildungsmechanismus von Kohlenstoff-dotierten Titandioxid-Nanotubes

• Antragstellerin: Professorin Dr. Uta Helbig
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324158393

Kohlenstoff-dotierte Titanoxid-Nanoröhren sind ein vielversprechendes Material für den Einsatz als Elektrode beispielsweise in PEM-Brennstoffzellen. Die Nanoröhren bieten eine hohe spezifische Oberfläche, eine sehr gute Leitfähigkeit und haben in ersten Tests bereits eine hohe Oxidationsbeständigkeit gezeigt.Ein übliches Verfahren für die Herstellung von TNTs ist die hydrothermale Umsetzung eines Titandioxid-Pulvers in konzentrierten Laugen. Nach diesem Prozess entstehen mehrwandige Nanoröhren mit einem Innendurchmesser von 310 nm und einer Länge von bis zu 500 µm. Für die Röhren wird eine Anatas-artige Struktur bzw. eine Titanatstruktur (H2Ti3O7) vorgeschlagen. Im Zusammenhang mit potentiellen Anwendungen wird in der Literatur über verschiedene Dotierungsmöglichkeiten berichtet, auch über die Dotierung mit Kohlenstoff. Das Einbringen der Kohlenstoff-Dotierung ist essentiell um die Leitfähigkeit der Partikel zu erzeugen. Ein gängiges Verfahren dafür ist die Temperaturbehandlung im Ethin/Stickstoff-Strom. Wendet man dieses Verfahren auf die synthetisierten Tubes an, kommt es jedoch zu Sinter- und Kristallisationsprozessen, so dass im Allgemeinen nur noch eine geringe Menge an Röhrenstrukturen verbleibt.Um die nachteiligen Effekte einer nachgeschalteten Temperaturbehandlung zu umgehen, wurde an der TH Nürnberg ein Verfahren entwickelt, bei dem bereits das Vorstufenpulver mit Kohlenstoff dotiert wird. Die Umsetzung des Pulvers zu Titandioxid-Nanoröhren in heißer Natronlauge erfolgt dann erst anschließend.Um den Bildungsmechanismus der Röhren genauer zu untersuchen, sollen dem Syntheseprozess zu verschiedenen Zeitpunkten Proben entnommen werden. Diese Proben werden morpho¬logisch und in Bezug auf Phasenbestand und Kohlenstoffgehalt untersucht. Die Informationen sollen mit den Synthesebedingungen wie Edukt-Konzentration, pH Wert, Temperatur und Dauer korreliert werden.Auf Basis der Erkenntnisse über den Bildungsmechanismus und die genaue Lokalisierung der Kohlenstoff-Dotierung kann der Syntheseprozess weiter optimiert werden. Die Parameterfenster für einen robusten Herstellungsprozess können besser eingegrenzt und damit die Voraussetzung für eine industrielle Umsetzung geschaffen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen