Nanohörner machen Brennstoffzellen effektiver

Der japanische Elektronikkonzern NEC will bis zum Jahr 2005 Mini-Brennstoffzellen mit so genannten Nanohörnern als Elektrodenmaterial auf den Markt bringen. Mit dieser Technologie sollen Brennstoffzellen zur Versorgung von Laptops oder Handhelds noch kleiner und leistungsfähiger werden.


Nanohörner sind konisch zulaufende, winzig kleine Röhren aus Kohlenstoff. Sie sind 50.000mal dünner als ein menschliches Haar und bestehen aus nur wenigen tausend Atomen. Als Elektrodenmaterialien für die Brennstoffzelle sind sie deshalb interessant, weil sie im Verhältnis zu ihrem Volumen eine extrem große Oberfläche bieten – ein wichtiges Kriterium für die Leistungsfähigkeit der Elektroden. Große Oberflächen machen den Umsatz der an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Gase oder Flüssigkeiten besonders effektiv. Hinzu kommt, dass auf den Nanostrukturen viel kleinere Platinpartikel als Katalysatoren aufgebracht werden können, was die Elektroden ebenfalls leistungsfähiger macht.

Nach den ehrgeizigen Plänen des NEC-Konzerns soll jährlich eine Tonne des Hightechmaterials produziert und in den Elektroden neuentwickelter kleiner PEM-Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die Zellen sollen damit rund zehnmal soviel Energie liefern können wie eine Lithium-Batterie gleicher Größe.

Mit dem massenhaften Einsatz der Hörner könnte NEC nicht nur Maßstäbe in der Brennstoffzellentechnologie setzen, sondern auch in der Nanotechnologie. Dieser Technologiezweig gilt als einer der zukunftsträchtigsten überhaupt – dabei stammen die darin eingesetzten faszinierenden Gebilde aus Kohlenstoff aus einer Familie, deren Entdeckung vor gut fünfzehn Jahren nicht viel mehr zu sein schien als eine unterhaltsame Episode aus einem amerikanischen Labor.

Damals, 1985, fanden drei Chemiker der Rice-Universität ein Molekül, das aus sechzig Kohlenstoffatomen bestand. Es war exakt aufgebaut wie ein Fußball: zwölf Fünfecke und zwanzig Sechsecke, an deren Berührungspunkten jeweils ein Atom sitzt. Zu den bis dahin bekannten Erscheinungsformen des reinen Kohlenstoffs – Graphit und Diamant – war eine weitere hinzugekommen, komplexer und zugleich symmetrischer und faszinierender als alles bisher dagewesene.

Die Entdeckung dieser so genannten Buckyballs, auch Fullerene genannt, zeigte Materialforschern in aller Welt erst die ungeheuren Möglichkeiten des Kohlenstoffs. Sie erkannten, dass sich das Element und seine chemischen Verwandten bestens als Grundstoff für kleinste Bauelemente eignet. Aus Kohlenstoff ließen sich bald nicht nur Kugeln, sondern auch winzige Röhren, die so genannten Nanoröhren zusammensetzen. Erstmals hergestellt wurden sie 1991 durch den japanischen Professor Sumio Iijima, einem Wissenschaftler des NEC-Konzerns.

Drei Jahre später entdeckte Iijimas Arbeitsgruppe auch die ähnlich aufgebauten, aber in sich geschlossenenen Nanohörner. Kommen diese winzigen Bauteile in großer Zahl zusammen, schließen sie sich zu löchrigen Gebilden zusammen, fanden den Forscher heraus. Bald erkannten die Wissenschaftler auch die besonderen Qualitäten dieser so genannten Aggregate als Elektrodenmaterialien: Sie sind elektrisch leitfähig, bieten eine große Oberfläche und sind durchlässig für Gase und Flüssigkeiten.