Instabiles Edelmetall: Wie Platin korrodiert

Seit mehr als einem halben Jahrhundert gilt Platin als einer der besten Katalysatoren für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, eine der Schlüssel­reaktionen an den Elektroden von Brennstoff­zellen. Es ist jedoch schwierig, den Katalysator über einen längeren Zeitraum reaktiv und stabil genug zu halten, um Wasserstoff­technologien flächen­deckend in Fahrzeugen einsetzen zu können. Grund hierfür ist vor allem, dass sich die Platin­partikel auf den Elektroden mit der Zeit auflösen. Einem inter­nationalen Forschungs­team unter Leitung von Olaf Magnussen von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel ist es jetzt gelungen, diesen Auflösungs­prozess auf atomarer Ebene darzustellen. Die Erkenntnisse über die einzelnen Atom­bewegungen könnten dazu beitragen, die Stabilität von Platin­katalysatoren in Zukunft zu verbessern.

„Wir wollten herausfinden, warum und wie sich das Platin auflöst“, sagt Magnussen. „Mit unseren Unter­suchungen haben wir ein Bild auf atomarer Ebene gewonnen, um diesen Vorgang zu erklären.“ Beteiligt waren Arbeits­gruppen der European Synchrotron Radiation Facility ESRF, des Forschungs­zentrums Jülich sowie von Universitäten in Spanien und Kanada.

An der ESRF-Beamline ID31 untersuchte das Team verschiedene Facetten von Platin­elektroden in Elektrolyt­lösung mit extrem intensiver Röntgen­strahlung. Auf diese Weise fanden die Forscher heraus, wie sich die Atome während der Oxidations­prozesse an der Platin­oberfläche anordnen sowie bewegen und wie sich dadurch das Platin auflöst. „Mit diesem Wissen ist es vorstellbar, gezielt Nanopartikel mit bestimmter Form und Oberflächen­anordnung zu entwickeln, um so die Stabilität des Katalysators zu verbessern“, erklärt Jakub Drnec, Wissen­schaftler an der Beamline ID31. „Wenn wir die Bewegung der Atome kennen, können wir spezielle Additive einsetzen, um unerwünschte Atom­bewegungen zu unter­drücken.“

Die Ergebnisse lassen sich in techno­logische Anwendungen übertragen, weil die Experimente unter elektro­chemischen Bedingungen statt­fanden, ähnlich wie in echten Brennstoff­zellen. „Während der Oxidation verändert sich die Platin­oberfläche der Elektroden sehr schnell. Das zu messen, war nur möglich durch eine neue, sehr schnelle Technik zur Charakteri­sierung der Oberflächen­struktur“, erklärt Timo Fuchs von der CAU. Diese Methode, die Hochenergie-Oberflächen­röntgen­beugung, wurde an der ESRF von dem Team mitentwickelt. „Es ist die einzige Technik, die die Bewegung von Atomen unter solchen Bedingungen abbilden kann – das konnten wir hier zum ersten Mal zeigen“, fügt Fuchs hinzu.

Um diese Auflösungsprozesse zu verstehen, wurden parallel zu den Röntgen­experimenten hochempfind­liche Messungen am Forschungs­zentrum Jülich und aufwendige Computer­simulationen an der Uni Barcelona durchgeführt. „Nur eine solche Kombination verschiedener Charakteri­sierungs­techniken und theoretischer Berechnungen liefert ein voll­ständiges Bild davon, wie sich Atome in einem Platin­katalysator auf der Nanoebene verhalten“, sagt Federico Calle-Vallejo von der Uni Barcelona, der für die Simulationen verantwortlich war.

Im nächsten Schritt möchte das Team die Mechanismen der Platin­auflösung noch detail­lierter erforschen, zum Beispiel indem sie Platin­facetten untersuchen, die Ecken und Kanten von Katalyse­partikeln repräsen­tieren. Auf dieser Basis könnten dann in Zukunft Wissen­schaftler gezielt lang­lebigere Katalysatoren entwickeln.

CAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Fuchs et al.: Structure dependency of the atomic-scale mechanisms of platinum electro-oxidation and dissolution, Nat. Catalysis, online 24. August 2020; DOI: 10.1038/s41929-020-0497-y
• Grenzflächenphysik (O. Magnussen), Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel