Nedbrytning av platina, används som ett nyckelelektrodmaterial i väteekonomin, förkortar avsevärt livslängden för elektrokemiska energiomvandlingsanordningar, som bränsleceller. För första gången, forskare klargjorde rörelserna hos platinaatomerna som leder till nedbrytning av katalysatorytan. Deras resultat publiceras idag i Naturkatalys .

I mer än ett halvt sekel, platina har varit känt som en av de bästa katalysatorerna för syrereduktion, en av nyckelreaktionerna i bränsleceller. Dock, det är svårt att möta katalysatorernas långvariga höga aktivitet och stabilitet som krävs för den massiva utbyggnaden av vätgasteknologin i transportsektorn.

Forskare ledda av Kiel University (Tyskland), i samarbete med ESRF, University of Victoria (Kanada), Universitetet i Barcelona (Spanien) och Forschungszentrum Jülich (Tyskland), har nu tagit reda på varför och hur platina bryts ned. "Vi har kommit fram till en atomistisk bild för att förklara det, säger Olaf Magnussen, professor vid Kiel University och motsvarande författare till artikeln.

För att uppnå detta, teamet gick till ESRF:s beamline ID31 för att studera de olika aspekterna av platinaelektroder i elektrolytlösning. De upptäckte hur atomer ordnar sig och rör sig på ytan under oxidationsprocesserna, den huvudsakliga reaktionen ansvarig för platinaupplösning.

Fynden öppnar dörrar till atomistisk ingenjörskonst:"Med denna nya kunskap, vi kan föreställa oss att rikta in sig på vissa former och ytarrangemang av nanopartiklar för att förbättra katalysatorns stabilitet. Vi kan också hitta hur atomerna rör sig, så att vi potentiellt kan lägga till yttillsatser för att undertrycka atomer som rör sig åt fel håll, " förklarar Jakub Drnec, forskare vid beamline ID31 och medförfattare till studien.

Det faktum att experimenten ägde rum under elektrokemiska förhållanden som liknar vad som händer i själva enheten var nyckeln till att översätta resultaten till bränslecellsteknik. "Eftersom platinaytan förändras snabbt under oxidation, dessa mätningar blev möjliga endast tack vare en ny, mycket snabb teknik för karakterisering av ytstruktur. Den här metoden, ytröntgendiffraktion med hög energi, har samutvecklats vid ESRF, " förklarar Timo Fuchs, från Kiel University och medförfattare till studien. "Och det är, faktiskt, den enda tekniken som kan tillhandahålla denna typ av information i den verkliga miljön, " tillägger han. Detta är den första publikationen där atomrörelser bestämdes av tekniken under sådana förhållanden.

Denna forskning har sin framgång tack vare kombinationen av röntgenmätningar vid ESRF med mycket känsliga upplösningsmätningar utförda vid Forschungszentrum Jülich och avancerade datorsimuleringar. "Endast en sådan kombination av olika karakteriseringstekniker och teoretiska beräkningar ger en fullständig bild av vad som händer med atomerna på nanoskalanivå i en platinakatalysator, " säger Federico Calle-Vallejo från universitetet i Barcelona, ansvarig för simuleringarna.

Nästa steg för teamet är att fortsätta experiment som ger insikt i nedbrytningsmekanismerna för ytterligare modellfacetter som efterliknar kanter och hörn på katalysatorpartiklar. Dessa resultat kommer att ge en karta över platinastabilitet under reaktionsförhållanden och tillåta forskare att utveckla rationella strategier för design av mer stabila katalysatorer i framtiden.