Forskere får et atomistisk billede af platinkatalysatornedbrydning

Nedbrydning af platin, bruges som et nøgleelektrodemateriale i brintøkonomien, forkorter i alvorlig grad levetiden for elektrokemiske energikonverteringsanordninger, såsom brændselsceller. For første gang, videnskabsmænd belyst platinatomernes bevægelser, der fører til katalysatoroverfladenedbrydning. Deres resultater offentliggøres i dag i Naturkatalyse .

I mere end et halvt århundrede, platin har været kendt som en af ​​de bedste katalysatorer til iltreduktion, en af ​​de vigtigste reaktioner i brændselsceller. Imidlertid, det er vanskeligt at imødekomme katalysatorernes langsigtede høje aktivitet og stabilitet, der er nødvendig for den massive udbredelse af brintteknologien i transportsektoren.

Forskere ledet af Kiel University (Tyskland), i samarbejde med ESRF, University of Victoria (Canada), Universitetet i Barcelona (Spanien) og Forschungszentrum Jülich (Tyskland), har nu fundet ud af hvorfor og hvordan platin nedbrydes. "Vi har fundet frem til et atomistisk billede for at forklare det, siger Olaf Magnussen, professor ved Kiel Universitet og tilsvarende forfatter til artiklen.

For at opnå dette, holdet gik til ESRF's beamline ID31 for at studere de forskellige facetter af platinelektroder i elektrolytopløsning. De opdagede, hvordan atomer arrangerer sig selv og bevæger sig på overfladen under oxidationsprocesserne, den vigtigste reaktion, der er ansvarlig for platinopløsning.

Resultaterne åbner døre til atomistisk teknik:"Med denne nye viden, vi kan forestille os at målrette bestemte former og overfladearrangementer af nanopartikler for at forbedre stabiliteten af ​​katalysatoren. Vi kan også finde ud af, hvordan atomerne bevæger sig, så vi potentielt kunne tilføje overfladeadditiver for at undertrykke atomer, der bevæger sig den forkerte vej, " forklarer Jakub Drnec, videnskabsmand ved beamline ID31 og medforfatter til undersøgelsen.

Det faktum, at eksperimenterne fandt sted under elektrokemiske forhold svarende til, hvad der sker i den faktiske enhed, var nøglen til at omsætte resultaterne til brændselscelleteknologi. "Fordi platinoverfladen ændrer sig hurtigt under oxidation, disse målinger blev kun mulige takket være en ny, meget hurtig teknik til karakterisering af overfladestruktur. Denne metode, højenergi overflade røntgendiffraktion, er blevet samudviklet på ESRF, " forklarer Timo Fuchs, fra Kiel Universitet og medforfatter til undersøgelsen. "Og det er, faktisk, den eneste teknik, der kan give denne form for information i det virkelige miljø, " tilføjer han. Dette er den første publikation, hvor atombevægelser blev bestemt af teknikken under sådanne forhold.

Denne forskning skylder sin succes kombinationen af ​​røntgenmålingerne ved ESRF med meget følsomme opløsningsmålinger udført på Forschungszentrum Jülich og avancerede computersimuleringer. "Kun en sådan kombination af forskellige karakteriseringsteknikker og teoretiske beregninger giver et fuldstændigt billede af, hvad der foregår med atomerne på nanoskalaniveau i en platinkatalysator, " siger Federico Calle-Vallejo fra University of Barcelona, ansvarlig for simuleringerne.

Det næste skridt for teamet er at fortsætte eksperimenter, der giver indsigt i nedbrydningsmekanismerne af yderligere modelfacetter, der efterligner kanter og hjørner på katalysatorpartikler. Disse resultater vil give et kort over platinstabilitet under reaktionsbetingelser og give forskere mulighed for at udvikle rationelle strategier til design af mere stabile katalysatorer i fremtiden.