Dubbelstrengs water op gestapte platina oppervlakken
De interactie van water met platina oppervlakken is van groot belang voor de vele chemische reacties die gekatalyseerd worden door platina en waarbij een water cruciale rol speelt. Dit geldt met name voor elektrochemische reacties die plaatsvinden aan het grensvlak tussen een platina elektrode en een waterige elektrolyt oplossing, zoals in brandstofcellen, electrolysers, en vele andere katalytische toepassingen van platina.
Door zijn speciale moleculaire interacties heeft water van nature de neiging op een geordende manier met andere water moleculen structuren te vormen. De manier waarop water zich ordent als het met platina in contact is was tot op heden alleen nauwkeurig bestudeerd aan zeer goed geordende éénkristallijne oppervlakken. Op dergelijke oppervlakken vormt water nette hexagonale “honingraat”-achtige structuren. Echter, echte platina oppervlakken, en zeker katalytisch aktieve oppervlakken, bevatten stappen en defekten in het oppervlak.
Manuel Kolb, afgelopen maart gepromoveerd in de groep van Prof. Marc Koper aan het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek, heeft in samenwerking met de groep van Prof. Dan Killelea in Chicago, voor het eerst laten zien dat water ook geordende structuren vormt langs zulke stapranden in het platina oppervlak. Met behulp van geavanceerde quantum-chemische computerberekeningen voorspelde hij dat water langs bepaalde stapranden in het platina oppervlak een dubbelstrengs structuur vormt van twee parallele lijnen water die samen een tetragonale symmetrie hebben. De tetragonale symmetrie is het gevolg van de speciale ordening van de onderliggende platina atomen in de staprand. De groep van Killelea in Chicago heeft met lage-temperatuur Scanning Tunneling Microscopie (STM) van water op een gestapt platina oppervlak bewijs gevonden voor deze dubbelstrengs ordening van water. De STM afbeeldingen lijken ook de tetragonale ordening te bevestigen. Het gecombineerde theoretische-experimentele geeft daarmee een uniek nieuw inzicht in de interacties tussen water aan een realistisch platina oppervlak.
Hoewel het onderzoek voornamelijk fundamenteel van karakter is, laat het zien dat water andere structuren vormt in de buurt van defekten en stapranden dan de strukturen die tot nu toe steeds zijn aangenomen. Dit zal uiteindelijk zijn weerslag hebben op de reactiviteit van reacties aan deze defekten waarbij water betrokken is.
Het onderzoek is gepubliceerd in het april nummer van het vooraanstaande tijdschrift Physical Review Letters en siert ook de omslag van dat nummer.