Code gekraakt: Dit is waarom platina-elektroden corroderen
Een ‘atomaire vandaal’ is eindelijk ontmaskerd. Wetenschappers van de Universiteit Leiden en het Amerikaanse SLAC National Laboratory hebben het mysterie achter de snelle corrosie van platina-elektroden ontrafeld. Deze doorbraak opent de deur naar betaalbare waterstofproductie en betrouwbaardere elektrochemische sensoren.
Het is een vreemd fenomeen dat wetenschappers al decennia bezighoudt: bij de meeste metalen beschermt een negatieve elektrische lading – ook wel negatieve polarisatie - tegen corrosie. Maar bij platina gebeurt precies het tegenovergestelde: onder deze omstandigheden breekt de elektrode juist snel af.
Dat is een probleem, want elektrolysers en veel andere elektrochemische apparaten gebruiken vaak negatief gepolariseerde platina-elektroden in een zoutoplossing (elektrolyt). Hoewel platina een duurzaam materiaal is, blijkt het in deze omstandigheden toch niet bestand tegen slijtage. ‘Het is behoorlijk stabiel, maar dat betekent niet dat het helemaal niet aangetast raakt,’ legt Dimosthenis Sokaras uit, senior wetenschapper bij SLAC en hoofdonderzoeker van het project.
Wie of wat is de schuldige?
‘Als je een stukje platina neemt en er zeer negatieve spanning op zet, kan het binnen enkele minuten oplossen,’ zegt Marc Koper, hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie bij het Leids Instituut voor Chemisch onderzoek en de leider van het Leidse onderzoeksteam.
Er bestonden twee verschillende theorieën over de oorzaak van deze corrosie. Sommige wetenschappers dachten dat natriumionen uit de zoutoplossing verantwoordelijk waren. Deze ionen (geladen deeltjes) zouden zich in het atoomrooster van het platina nestelen en platiniden vormen: platina-atomen gecombineerd met positief geladen natriumionen, die vervolgens loslaten. Andere onderzoekers vermoedden dat zowel natrium- als waterstofionen samenwerkten om zogenaamde platina-hydriden te creëren, die hetzelfde effect hebben.
‘Deze techniek was voor ons de enige manier om deze complexe experimentele omstandigheden te onderzoeken.’
Platina-corrosie in actie observeren
Het onderzoeksteam moest een manier vinden om platina in real-time te observeren terwijl het corrodeerde in een zoutoplossing en tegelijkertijd waterstof produceerde. Hiervoor gebruikten ze de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) bij SLAC. Daar hebben onderzoekers een röntgentechniek ontwikkeld met extreem hoge resolutie, die door de zoutoplossing heen kan kijken en andere invloeden wegfiltert. Hierdoor kon het team letten op subtiele verandering in de platina-elektrode terwijl deze in gebruik was. ‘Deze techniek was voor ons de enige manier om deze complexe experimentele omstandigheden te onderzoeken,’ aldus SLAC-onderzoeker Thom Hersbach.
Daarnaast ontwikkelde het team een speciale pomp en een flowcell, vertelt Sokaras. Deze apparatuur verwijdert waterstofbelletjes die ontstaan tijdens het proces en de röntgenexperimenten kunnen verstoren.
Platina-hydriden zijn de boosdoeners
Zo konden de onderzoekers voor het eerst observeren hoe platina actief corrodeerde. Ze maakten röntgenspectra van het oppervlak van de negatief geladen elektrode. Röntgenspectra zijn een soort ‘vingerafdruk’ die informatie geven over de atomen en moleculen aan het oppervlak, zoals hun structuur, samenstelling en hoe ze reageren onder bepaalde omstandigheden.
Hoewel de onderzoekers al vermoedden dat hydriden de oorzaak waren, kostte het jaren van data-analyse om dit definitief te bewijzen. ‘Het vergde veel herhaling en verfijning om precies vast te leggen wat er gebeurde,’ aldus Hersbach.
Met behulp van computermodellen van platiniden en hydriden, simuleerden de wetenschappers de spectra die ze onder de röntgenstraling verwachtten. Na vele vergelijkingen tussen de simulaties en de experimentele resultaten bleek alleen platina-hydride verantwoordelijk te kunnen zijn. ‘Door de vooruitgang in röntgentechniek en supercomputing kunnen we nu wetenschappelijke vragen oplossen die decennia lang onbeantwoord bleven’, zegt Sokaras.
Headerbeeld: De boosdoener: hydridevorming op een platina-oppervlak.
Verder lezen
Lees het orginele persbericht op de website van SLAC National Accelorator Laboratory