Ytan på platinaelektroder förändras mycket mer under användning än man tidigare trott. I ett samarbete mellan Leiden Institutes of Chemistry and Physics, kemister Leon Jacobse, Yi-Fan Huang och Marc Koper, och fysikern Marcel Rost har kunnat visa detta för första gången. Publicering i Naturmaterial .

Platinaelektroder är kärnan i elektrolysatorer, som omvandlar elektricitet till väte, och av bränsleceller, som omvandlar väte till elektricitet; det här är enheter som kommer att spela en nyckelroll i tillhandahållandet av hållbar energi, i sådana applikationer som vätebilar. Det finns ett problem, dock, nämligen att platinaelektrodernas prestanda minskar vid användning, vilket innebär att elektroderna måste bytas ut regelbundet. Det här är en dyr affär, så tillverkare försöker utveckla bättre elektroder. Dock, de saknar den grundläggande kunskapen för att kunna utforma effektiva alternativ.

Forskarna har nu presenterat en del av processen för uppruvning av platinaelektroder vid olika spänningar, även om mer forskning behövs för att helt förstå denna process. Denna insikt hjälper tillverkare att utveckla elektroder som har ett längre livslängd.

Experimenten baserades på en platinamodellelektrod:en enda kristallin platinayta på en euro cent som har en mycket regelbunden atomstruktur. Genom att först öka elektrodens elektriska potential och sedan minska den, platina oxiderar och minskar successivt, varigenom oxider bildas på ytan, och därefter minska. Detta är till viss del jämförbart med vad som händer när en bränslecell eller elektrolysator slås på och av.

En ny aspekt av denna forskning är att under varje experiment mättes inte bara strömmen, men också förändringen av platinaytan vid atomnivå observerades samtidigt, med ett hembyggt skanningstunnelmikroskop. Mätning och observation är i allmänhet två separata aktiviteter som äger rum i olika stadier, men genom att kombinera dem får forskarna en unik möjlighet att förstå processen steg för steg.

Forskarna observerade i experimenten att efter åtta cykler med att öka och minska spänningen, många små 2-D-öar av platina bildade ovanpå den ursprungliga mer eller mindre platta platina. Efter cirka trettio cykler har öarna expanderat så mycket att de täcker nästan hela den ursprungliga ytan. Efter det ökar de ytterligare för varje cykel, särskilt i höjd, upp till 170 cykler.

Hittills, både forskare och elektrodtillverkare förberedde en ren platinaelektrod genom att applicera cirka 20 cykler. Även om det finns de som fortfarande tror att elektroderna förblir släta, det har alltid funnits tecken på att någon form av grovhet måste ske. Leiden -forskningen ger mycket inblick i hur grov ytan faktiskt är och hur den utvecklas, och visar också att denna grovprocess fortsätter.

En annan överraskande upptäckt är att elektrodens reaktivitet först ökar snabbare än öarnas tillväxt, och att efter detta grovheten ökar ytterligare, men reaktiviteten förblir konstant, fram tills, som förväntat, efter cirka 20 cykler jämnar de ut sig. Leidens forskare hoppas att uppföljande forskning hjälper dem att förklara detta. De vill också studera vad som händer med platinaelektrodens struktur medan en kontinuerlig elektrokemisk reaktion sker samtidigt, jämförbar med situationen i en bränslecell eller elektrolysator i praktiken.