Het oppervlak van platina-elektroden verandert tijdens gebruik veel meer dan eerder werd gedacht. In een samenwerking tussen de Leidse Instituten voor Scheikunde en Natuurkunde, scheikundigen Leon Jacobse, Yi-Fan Huang en Marc Koper, en natuurkundige Marcel Rost hebben dit voor het eerst kunnen aantonen. publicatie in Natuurmaterialen .

Platina-elektroden vormen de kern van elektrolysers, die elektriciteit omzetten in waterstof, en van brandstofcellen, die waterstof omzetten in elektriciteit; dit zijn apparaten die een sleutelrol gaan spelen in de levering van duurzame energie, in toepassingen zoals waterstofauto's. Er is één probleem, echter, namelijk dat de prestaties van platina-elektroden afnemen bij gebruik, wat betekent dat de elektroden periodiek moeten worden vervangen. Dit is een kostbare aangelegenheid, daarom proberen fabrikanten betere elektroden te ontwikkelen. Echter, ze missen de fundamentele kennis om effectieve alternatieven te kunnen bedenken.

De onderzoekers hebben nu een deel van het proces van het opruwen van platina-elektroden bij verschillende spanningen onthuld, hoewel er meer onderzoek nodig is om dit proces volledig te begrijpen. Met dit inzicht kunnen fabrikanten elektroden ontwikkelen die een langere levensduur hebben.

De experimenten waren gebaseerd op een platina-modelelektrode:een enkel kristallijn platina-oppervlak ter grootte van één eurocent met een zeer regelmatige atomaire structuur. Door eerst de elektrische potentiaal van de elektrode te vergroten en vervolgens te verlagen, het platina oxideert en vermindert achtereenvolgens, waarbij zich oxiden vormen op het oppervlak, en vervolgens verminderen. Dit is tot op zekere hoogte vergelijkbaar met wat er gebeurt als een brandstofcel of elektrolyser wordt in- en uitgeschakeld.

Een nieuw aspect van dit onderzoek is dat tijdens elk experiment niet alleen de stroom werd gemeten, maar tegelijkertijd werd ook de verandering van het platina-oppervlak op atomair niveau waargenomen, met behulp van een zelfgebouwde scanning tunneling microscoop. Meten en observeren zijn over het algemeen twee afzonderlijke activiteiten die in verschillende stadia plaatsvinden, maar door ze te combineren krijgen de onderzoekers een unieke kans om het proces stap voor stap te begrijpen.

De onderzoekers merkten in de experimenten op dat, na acht cycli van het verhogen en verlagen van de spanning, talloze kleine 2-D-eilandjes platina gevormd bovenop het oorspronkelijke min of meer platte platina. Na zo'n dertig cycli zijn de eilanden zo uitgebreid dat ze bijna het hele oorspronkelijke oppervlak beslaan. Daarna nemen ze met elke cyclus verder toe, vooral in de hoogte, tot 170 cycli.

Daten, zowel onderzoekers als elektrodefabrikanten maakten een schone platina-elektrode door ongeveer 20 cycli toe te passen. Hoewel er mensen zijn die nog steeds denken dat de elektroden glad blijven, er zijn altijd aanwijzingen geweest dat er enige vorm van opruwen moet plaatsvinden. Het Leidse onderzoek geeft veel inzicht in hoe ruw het oppervlak eigenlijk is en hoe het zich ontwikkelt, en toont ook aan dat dit proces van opruwen doorgaat.

Een andere verrassende bevinding is dat de reactiviteit van de elektrode aanvankelijk sneller toeneemt dan de groei van de eilanden, en dat hierna de ruwheid verder toeneemt, maar de reactiviteit blijft constant, tot, zoals verwacht, na ongeveer 20 cycli komen ze zelfs uit. De Leidse onderzoekers hopen dat vervolgonderzoek hen zal helpen dit te verklaren. Ze willen ook bestuderen wat er gebeurt met de structuur van de platina-elektrode terwijl tegelijkertijd een continue elektrochemische reactie plaatsvindt, vergelijkbaar met de situatie in een brandstofcel of elektrolyser in de praktijk.