Afbraak van platina, gebruikt als een belangrijk elektrodemateriaal in de waterstofeconomie, verkort de levensduur van elektrochemische energieconversieapparaten aanzienlijk, zoals brandstofcellen. Voor de eerste keer, wetenschappers hebben de bewegingen van de platina-atomen opgehelderd die leiden tot degradatie van het katalysatoroppervlak. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in Natuur Katalyse .

Al meer dan een halve eeuw platina staat bekend als een van de beste katalysatoren voor zuurstofreductie, een van de belangrijkste reacties in brandstofcellen. Echter, het is moeilijk om te voldoen aan de hoge activiteit en stabiliteit van de katalysatoren op lange termijn die nodig zijn voor de massale inzet van de waterstoftechnologie in de transportsector.

Wetenschappers onder leiding van Kiel University (Duitsland), in samenwerking met de ESRF, Universiteit van Victoria (Canada), Universiteit van Barcelona (Spanje) en Forschungszentrum Jülich (Duitsland), hebben nu ontdekt waarom en hoe platina degradeert. "We hebben een atomistisch beeld bedacht om het uit te leggen, " zegt Olaf Magnussen, professor aan de Universiteit van Kiel en corresponderende auteur van het artikel.

Om dit te bereiken, het team ging naar ESRF's beamline ID31 om de verschillende facetten van platina-elektroden in elektrolytoplossing te bestuderen. Ze ontdekten hoe atomen zich rangschikken en bewegen op het oppervlak tijdens oxidatieprocessen, de belangrijkste reactie die verantwoordelijk is voor het oplossen van platina.

De bevindingen openen deuren naar atomistische engineering:"Met deze nieuwe kennis, we kunnen ons voorstellen dat we ons richten op bepaalde vormen en oppervlakterangschikkingen van nanodeeltjes om de stabiliteit van de katalysator te verbeteren. We kunnen ook vinden hoe de atomen bewegen, dus we kunnen mogelijk oppervlakte-additieven toevoegen om atomen te onderdrukken die de verkeerde kant op gaan, " legt Jakub Drnec uit, wetenschapper bij beamline ID31 en co-auteur van de studie.

Het feit dat de experimenten plaatsvonden onder elektrochemische omstandigheden die vergelijkbaar zijn met wat er in het eigenlijke apparaat gebeurt, was de sleutel om de bevindingen te vertalen naar brandstofceltechnologie. "Omdat het platina-oppervlak snel verandert tijdens oxidatie, deze metingen werden alleen mogelijk dankzij een nieuwe, zeer snelle techniek voor karakterisering van oppervlaktestructuren. Deze methode, hoogenergetische oppervlakte röntgendiffractie, is mede ontwikkeld door de ESRF, " legt Timo Fuchs uit, van Kiel University en co-auteur van de studie. "En het is, in feite, de enige techniek die dit soort informatie in de echte omgeving kan verschaffen, " voegt hij eraan toe. Dit is de eerste publicatie waarin atoombewegingen onder dergelijke omstandigheden door de techniek werden bepaald.

Dit onderzoek dankt zijn succes aan de combinatie van de röntgenmetingen bij de ESRF met zeer gevoelige oplosmetingen uitgevoerd bij Forschungszentrum Jülich en geavanceerde computersimulaties. "Alleen zo'n combinatie van verschillende karakteriseringstechnieken en theoretische berekeningen geeft een volledig beeld van wat er gebeurt met de atomen op nanoschaalniveau in een platinakatalysator, " zegt Federico Calle-Vallejo van de Universiteit van Barcelona, verantwoordelijk voor de simulaties.

De volgende stap voor het team is om door te gaan met experimenten die inzicht geven in de afbraakmechanismen van andere modelfacetten die randen en hoeken op katalysatordeeltjes nabootsen. Deze resultaten zullen een kaart van platinastabiliteit onder reactieomstandigheden opleveren en onderzoekers in staat stellen rationele strategieën te ontwikkelen voor het ontwerp van stabielere katalysatoren in de toekomst.