Die Lösung des Falls des verschwundenen Platins
Seit fast zwei Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie negativ polarisierte Platinelektroden korrodieren - ein kostspieliges Rätsel, das sowohl Wasserelektrolyseure, eine vielversprechende Energietechnologie zur Herstellung von Wasserstoff, als auch elektrochemische Sensoren, die Platinelektroden verwenden, plagt.
Eine Draufsicht auf eine Platinoberfläche während der Kathodenkorrosion. Platin- und Wasserstoffatome sind in Schwarz bzw. Weiß dargestellt. Blaue und violette Dreiecke zeigen an, wo Wasserstoffatome an Platinatome gebunden wurden.
Selwyn Hanselman/Leiden University
Jetzt hat eine enge Zusammenarbeit zwischen Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Universität Leiden endlich den Schuldigen gefunden und damit möglicherweise den Weg für eine billigere Energieerzeugung aus Wasserstoff und zuverlässigere elektrochemische Sensoren geebnet.
Elektrolyseure und viele andere elektrochemische Geräte arbeiten häufig mit negativ polarisierten Platinelektroden, die in einen Elektrolyten - im Wesentlichen Salzwasser - getaucht werden. Das ist eine teure, aber haltbare und im Allgemeinen stabile Option, "aber dass sie recht stabil ist, bedeutet nicht, dass sie sich nicht abnutzt", sagt Dimosthenis Sokaras, ein leitender Wissenschaftler an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) und der Leiter des SLAC-Teams.
Bei den meisten Metallen schützt eine negative Polarisierung vor Korrosion. Platinelektroden können sich unter diesen Bedingungen jedoch schnell zersetzen, eine seltsame Eigenart, die die Wissenschaftler verblüfft hat.
"Wenn man ein Stück Platin nimmt und ein sehr negatives Potenzial anlegt, kann sich das Platin innerhalb von Minuten auflösen", sagt Marc Koper, Professor für Katalyse und Oberflächenchemie an der Universität Leiden und Leiter des Leidener Teams.
Zwei bekannte Theorien hatten versucht, diesen Prozess zu erklären. Einige Wissenschaftler waren der Meinung, dass Natriumionen aus der Elektrolytlösung dafür verantwortlich sind. Diese Ionen, so die Überlegung, drängten sich in das Atomgitter des Platins und bildeten Platinide - Platinatome, die positiv geladene Natriumionen mit sich herumschleppen - die sich ablösen. Andere Forscher vermuteten einen ähnlichen Prozess, wiesen aber darauf hin, dass Natrium- und Wasserstoffionen - also Protonen - zusammenarbeiten, um stattdessen Platinhydride zu bilden.
Das Forschungsteam wusste, dass es das Platin irgendwie beobachten musste, während es in einem Elektrolyten korrodierte und dabei viel Wasserstoff erzeugte. Zu diesem Zweck wandte sich das Team an das SSRL, wo Forscher hochenergetisch auflösende Röntgenspektroskopietechniken entwickelt haben, die den Elektrolyten durchdringen und andere Effekte herausfiltern können, so dass die Forscher sich auf subtile Veränderungen der Platinelektrode in operando oder während des Betriebs konzentrieren können.
"Die Röntgenabsorptionsspektroskopie mit hoher Energieauflösung war für uns die einzige Technik, die mit den experimentellen Bedingungen zurechtkam", sagt SLAC-Wissenschaftler Thom Hersbach.
Darüber hinaus entwickelte das Team eine spezielle "Durchflusszelle", so Sokaras, die Wasserstoffblasen beseitigen kann, die sich während des Betriebs der Elektrode bilden und das Röntgenexperiment stören.
Mit diesen Fähigkeiten gelang es dem Team, erstmals die aktive Korrosion von Platin zu beobachten und Röntgenspektren von der negativ polarisierten Elektrodenoberfläche aufzuzeichnen.
Vor der Durchführung des Experiments hatten die Forscher die Vermutung, dass Hydride für die Korrosion verantwortlich sind, aber es dauerte mehrere Jahre der Datenanalyse, bevor sie diese Hypothese beweisen konnten.
"Es brauchte eine Menge verschiedener Iterationen, um herauszufinden, wie wir genau erfassen können, was vor sich geht". sagte Hersbach.
Mithilfe von Computermodellen von Platinhydriden und Platiniden simulierten die Forscher die Spektren, die sie von jeder Struktur unter dem SSRL-Röntgenstrahl erwarten würden. Der Vergleich der zahlreichen simulierten Spektren mit den Ergebnissen ihres Experiments bestätigte, dass nur Platinhydrid ihre Ergebnisse hervorbringen konnte. "Indem wir die Grenzen der Röntgenwissenschaft erweitert haben, hat das SSRL Operando-Methoden entwickelt, die es uns in Kombination mit modernen Supercomputern ermöglichen, jahrzehntealte wissenschaftliche Fragen zu beantworten", sagte Sokaras.
Die Erkenntnisse des Teams können nun genutzt werden, um Lösungen für die Platinkorrosion in Elektrolyseuren und vielen anderen elektrochemischen Geräten zu entwickeln. Das Projekt, so Koper, "zeigt, wie wichtig es in der Wissenschaft ist, viel Fachwissen zu bündeln".
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Originalveröffentlichung
Thomas J. P. Hersbach, Angel T. Garcia-Esparza, Selwyn Hanselman, Oscar A. Paredes Mellone, Thijs Hoogenboom, Ian T. McCrum, Dimitra Anastasiadou, Jeremy T. Feaster, Thomas F. Jaramillo, John Vinson, Thomas Kroll, Amanda C. Garcia, Petr Krtil, Dimosthenis Sokaras, Marc T. M. Koper; "Platinum hydride formation during cathodic corrosion in aqueous solutions"; Nature Materials, 2025-1-22
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