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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. |
