17 feb. 1999
2 minuten
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.
Platina elektroden vormen het hart van electrolyzers en brandstofcellen. De prestaties gaan bij gebruik achteruit, waardoor de elektroden tussentijds moeten worden vervangen. Dat is een kostbare zaak. Daarom proberen fabrikanten betere elektroden te ontwikkelen. Ze ontberen echter de fundamentele kennis om gericht te werk te kunnen gaan.
De wetenschappers van de Leidse Instituten voor Natuur- en Scheikunde hebben het proces van verruwing van de elektroden bij wisselende elektrische spanningen nu deels ontsluierd.
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
Tijdens de experimenten is de stroomsterkte gemeten en op atomair niveau naar de verandering van het platina-oppervlak gekeken met behulp van een zelfgebouwde scanning tunneling microscoop. Meten en kijken gebeurt meestal apart, maar juist gecombineerd geeft het de onderzoekers de mogelijkheid om het proces stap voor stap te doorgronden.
Eilandjes vergroeien
Na acht cycli van oplopende en afnemende spanning waren tal van platina eilandjes ontstaan bovenop de oorspronkelijk vrijwel egale laag platina. Na zo’n dertig cycli waren de eilandjes zo ver uitgegroeid dat ze elkaar bijna raakten en het hele oorspronkelijke oppervlak bedekten. Daarna groeiden ze bij elke cyclus verder, vooral in hoogte, tot zeker 170 cycli aan toe.
Na twintig cycli al ruw
Tot heden gebruiken wetenschappers en elektrodefabrikanten 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 terwijl de reactiviteit constant blijft, totdat ze na ongeveer twintig cycli 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 als er tegelijkertijd een continue elektrochemische reactie plaatsvindt, vergelijkbaar met de situatie in een brandstofcel of electrolyzer in de praktijk.
Anderen lazen ook
