Nanostrukturen dank Elektrochemie

Elektrochemische Verfahren verbessern viele Produkte

Wissenschaft und Technik sind selten so verzahnt wie in der Elektrochemie. Das gilt für ihre klassischen Gebiete wie die Elektrolyse, die Stoffreinigung und -trennung, die elektrochemische Energietechnik, Analytik und Sensorik, die Oberflächentechnologie und den Korrosionsschutz ebenso wie für die noch recht junge Nanotechnologie. Beiträge der Elektrochemie zur Nanotechnologie sind herausragende Themen auf der Jahrestagung der Fachgruppe Angewandte Elektrochemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) vom 8. bis 10. September in Graz.

Ein neues elektrochemisches Verfahren ermöglicht beispielsweise die Herstellung von nanostrukturiertem Zinkoxid. Zinkoxid wird wegen seiner bakteriziden Wirkung in zahlreichen Medikamenten und in Brandwundsalben verwendet. Weiterhin nutzt man seine UV-Absorptionseigenschaften in UV-Schutzfiltern und Sonnencremes oder setzt es als Pigment und als Füllstoff in Gummiprodukten ein. Aufgrund der Teilchenstruktur verbessert nanostrukturiertes Zinkoxid die Produkteigenschaften. Erst die Nanostruktur ermöglicht es beispielsweise, Zinkoxid-Partikel in Plastikfolien einzuarbeiten, sodass transparente UV-Schutzfolien entstehen. Eine Verwendung von „normalem“, polykristallinem Zinkoxid hätte eine Trübung der Folie zur Folge.

Zur Herstellung von nanostrukturiertem Zinkoxid gibt es bereits physikalische und chemische Verfahren. Zumeist entstehen dabei aber sehr unterschiedliche Größen der Kristallite oder diese sind chemisch verunreinigt. Beim elektrochemischen Verfahren mit einem Acetatelektrolyten kann die Kristallitgröße beispielsweise sehr gut über die Temperatur oder die Stromdichte gesteuert werden.

Nicht nur die Modeschmuckindustrie freut sich über die Entwicklung von nanokristallinen Schichten aus Edelmetalllegierungen. Dünne Schichten von Gold- und Silberlegierungen finden auch in der Elektronikindustrie Anwendung. Reine Goldschichten haben einen relativ hohen Preis. Zu dekorativen Zwecken verwendet man daher oft Goldlegierungsschichten, die elektrolytisch abgeschieden werden. Das geschieht konventionell mit Gleichstrom; bei Anwendung von gepulstem Strom kann man die Schichtdicken und die Rauhigkeit der Oberflächen verringern, was daran liegt, dass die Partikel der Legierung kleiner sind, eben im Nanobereich liegen. Ebenso ist es gelungen, elektrochemisch nanokristalline Silberlegierungsschichten mit verbesserter Oberflächenhärte und Anlaufbeständigkeit abzuscheiden. Silber ist in diesem Fall mit Zinn legiert.

Die Elektrochemie selbst profitiert von der Nanotechnologie. So wurden neuartige, stabilere Elektroden für die Elektrokatalyse entwickelt, bei denen Platin-Nanopartikel auf eine Bor/Diamant-Elektrode aufgebracht wurden.

In Graz dreht sich aber nicht alles um Nano. In vielen Vorträgen wird aufgezeigt, welche Beiträge die Elektrochemie zur Verbesserung der Produktqualität leistet. Beispiel: der Stahlcord für Autoreifen. Dieser Stahldraht wird mit Messing ummantelt. Hierzu wird hintereinander Kupfer und Zink kontinuierlich am Draht galvanisch abgeschieden und erst danach in dem sog. Diffusionsschritt zu Messing umgesetzt. Stark schwankende Abscheidungsergebnisse schlugen sich bislang in erhöhtem Produktausschuss nieder. Jetzt konnte man das elektrochemische Verfahren und damit verbunden die Qualität des Produktes verbessern.

Auch nichtrostende Stähle gewinnen an Qualität durch elektrochemische Oberflächenbearbeitung, nämlich durch die Entfernung der dunklen Oxidschichten auf Schweißnähten und der sog. Anlauffarben durch die Hitzeentwicklung beim Schweißen. Neben dem mechanischen Reinigen, das das Aussehen des Stahls verändert, und dem chemischen Reinigen (beizen) stellt das elektrochemische Reinigen eine sehr einfache, schnelle und vom Chemikalieneinsatz her unproblematische Alternative dar. Ein neuartiger, auf Citronensäure-Basis beruhender Elektrolyt ermöglicht ein rasches entfernen der Oxidschichten ohne Einsatz ätzender Chemikalien. Auch in vielen anderen Fällen wird in Graz der Beitrag der Elektrochemie zum Umweltschutz aufgezeigt. An einigen Zielvorgaben wird noch gearbeitet. So soll im Jahr 2007 das Verbot von sechswertigem Chrom im Automobilbau und 2006 von Blei in elektronischen Bauelementen wirksam werden. Zwei Beispiele für Herausforderungen auch an die Elektrochemie.

Die GDCh-Fachgruppe Angewandte Elektrochemie vergibt gemeinsam mit der International Society of Electrochemistry, der Deutschen Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie und der Dechema in Graz zum dritten Mal den Klaus-Jürgen-Vetter-Preis für elektrochemische Kinetik. Diesjähriger Preisträger ist Dr. Hubert A. Gasteiger aus Rochester, USA. Der gebürtige Deutsche ging nach dem Studium der Technischen Chemie an der Fachhochschule Nürnberg 1986 in die USA. Für fünf Jahre (1995 bis 2000) kehrte er nach Deutschland zurück. Gasteiger wird ausgezeichnet für seine Untersuchungen zu Kinetik von Brennstoffzellen, zu kinetischen Prinzipien der Elektrokatalyse und zu Nanokatalysatoren.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) gehört mit über 26000 Mitgliedern zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Sie hat 24 Fachgruppen, darunter die Fachgruppe Angewandte Elektrochemie mit 400 Mitgliedern. Die Jahrestagungen der Fachgruppe stehen stets unter einem neuen aktuellen Motto. Die Ergebnisse der Jahrestagungen werden in GDCh-Monographien veröffentlicht.