Universiteit Leiden

nl en

Meekijken naar een veranderende platina elektrode

Het oppervlak van platina elektroden verandert tijdens gebruik veel sterker dan tot nu werd aangenomen. In een samenwerking tussen de Leidse Instituten voor Scheikunde en Natuurkunde, hebben de chemici Leon Jacobse, Yi-Fan Huang en Marc Koper, en de fysicus Marcel Rost dit voor het eerst zichtbaar kunnen maken. Publicatie in Nature Materials.

Platina elektroden vormen het hart van electrolyzers, die elektriciteit omzetten in waterstof, en van brandstofcellen die waterstof weer omzetten in elektriciteit, kortom apparaten die een centrale rol zullen spelen in de toekomstige duurzame energievoorziening in bijvoorbeeld waterstofauto’s. Een probleem is echter dat de prestaties van de platina elektroden bij gebruik achteruit gaan, waardoor de elektroden tussentijds vervangen moeten worden. Dat is een kostbare zaak. Daarom proberen fabrikanten betere elektroden te ontwikkelen. Ze ontberen echter de fundamentele kennis om hierbij heel gericht te werk te kunnen gaan.

Verouderingsproces deels ontsluierd

De Leidse wetenschappers hebben het proces van verruwing van platina elektroden bij wisselende elektrische spanningen nu deels ontsluierd. Meer onderzoek is nodig om daar volledig inzicht in te krijgen. Dat inzicht zal fabrikanten helpen om elektrodes te ontwikkelen die veel langer meegaan.

Wisselende elektrische spanningen

Bij de experimenten is uitgegaan van een platina model elektrode: een zeer regelmatig atomair geordend éénkristallijn platina oppervlak ter grootte van een eurocent. Door de elektrische spanning over de elektrode eerst op en daarna af te laten lopen, oxideert en reduceert het platina achtereenvolgens, waarbij  oxides aan het oppervlak ontstaan of respectievelijk worden gereduceerd. Dit is enigszins vergelijkbaar met wat er gebeurt bij het in- en uitschakelen van een brandstofcel of electrolyzer.

Meten en kijken tegelijk

Bijzonder is, dat tijdens elk experiment niet alleen de stroomsterkte is gemeten, maar tegelijk ook op atomair niveau naar de verandering van het platina-oppervlak is gekeken met behulp van een zelfgebouwde scanning tunneling microscoop. Meten en kijken gebeurt meestal apart, maar eenmaal gecombineerd geeft het de onderzoekers de unieke mogelijkheid het proces stap voor stap te doorgronden.

Eilandjes vergroeien

De onderzoekers zien bij de experimenten, dat er na acht cycli van oplopende en afnemende spanning tal van eilandjes van platina zijn ontstaan bovenop de oorspronkelijk vrijwel egale laag platina. Na zo’n dertig cycli zijn de eilandjes zo ver uitgegroeid, dat ze elkaar bijna raken en het gehele oorspronkelijke oppervlak bedekken. Daarna groeien ze bij elke cyclus verder, vooral in hoogte, tot zeker 170 cycli aan toe.

Na twintig cycli al ruw

Tot heden gebruiken zowel wetenschappers als ook elektrode-fabrikanten rond 20 cycli om een wel gedefinieerd en schoon elektrode te prepareren. Terwijl sommige nog steeds denken, dat deze dan mooie glad is, waren er altijd indicaties, dat er een soort verruwing moet optreden. Het Leidse onderzoek geeft inzicht hoe ruw dat oppervlak dan al in werkelijkheid is, vol met nanoeilanden, en dat deze verruwing steeds verder gaat.

Structuurverandering in twee fases

Opmerkelijk is ook dat de reactiviteit van de elektrode eerst sneller toeneemt dan de groei van de eilandjes, dat daarna de ruwheid verder toeneemt, maar de reactiviteit constant blijft, totdat ze, zoals verwacht, na ongeveer twintig cycli beide gelijk opgaan. Bij een vervolgonderzoek hopen de Leidse wetenschappers dit te kunnen verklaren. Verder willen ze onderzoeken wat er met de structuur van de platina elektrode gebeurt terwijl er tegelijkertijd een continue elektrochemische reactie plaatsvindt, vergelijkbaar met de situatie in een brandstofcel of electrolyzer in de praktijk.