Degradazione del platino, utilizzato come materiale per elettrodi chiave nell'economia dell'idrogeno, riduce notevolmente la durata dei dispositivi di conversione dell'energia elettrochimica, come le celle a combustibile. Per la prima volta, gli scienziati hanno chiarito i movimenti degli atomi di platino che portano alla degradazione della superficie del catalizzatore. I loro risultati sono pubblicati oggi in Catalisi della natura .

Per più di mezzo secolo, il platino è noto come uno dei migliori catalizzatori per la riduzione dell'ossigeno, una delle reazioni chiave nelle celle a combustibile. Però, è difficile soddisfare l'elevata attività e stabilità a lungo termine dei catalizzatori necessarie per il massiccio dispiegamento della tecnologia dell'idrogeno nel settore dei trasporti.

Scienziati guidati dall'Università di Kiel (Germania), in collaborazione con l'ESRF, Università di Victoria (Canada), Università di Barcellona (Spagna) e Forschungszentrum Jülich (Germania), ora abbiamo scoperto perché e come il platino si degrada. "Abbiamo elaborato un'immagine atomistica per spiegarlo, "dice Olaf Magnussen, professore alla Kiel University e corrispondente autore dell'articolo.

Per raggiungere questo obiettivo, il team è andato alla linea di luce ID31 dell'ESRF per studiare le diverse sfaccettature degli elettrodi di platino in soluzione elettrolitica. Hanno scoperto come gli atomi si dispongono e si muovono sulla superficie durante i processi di ossidazione, la principale reazione responsabile della dissoluzione del platino.

I risultati aprono le porte all'ingegneria atomistica:"Con questa nuova conoscenza, possiamo immaginare di mirare a determinate forme e disposizioni superficiali delle nanoparticelle per migliorare la stabilità del catalizzatore. Possiamo anche scoprire come si muovono gli atomi, quindi potremmo potenzialmente aggiungere additivi di superficie per sopprimere gli atomi che si muovono nel modo sbagliato, " spiega Jakub Drnec, scienziato presso la beamline ID31 e coautore dello studio.

Il fatto che gli esperimenti si siano svolti in condizioni elettrochimiche simili a quanto accade nel dispositivo reale è stata la chiave per tradurre i risultati nella tecnologia delle celle a combustibile. "Poiché la superficie del platino cambia rapidamente durante l'ossidazione, queste misurazioni sono diventate possibili solo grazie a un nuovo, tecnica molto veloce per la caratterizzazione della struttura superficiale. Questo metodo, diffrazione di raggi X di superficie ad alta energia, è stato sviluppato in collaborazione con l'ESRF, " spiega Timo Fuchs, della Kiel University e co-autore dello studio. "E questo è, infatti, l'unica tecnica in grado di fornire questo tipo di informazioni nell'ambiente reale, " aggiunge. Questa è la prima pubblicazione in cui i movimenti atomici sono stati determinati dalla tecnica in tali condizioni.

Questa ricerca deve il suo successo alla combinazione delle misurazioni dei raggi X presso l'ESRF con misurazioni della dissoluzione altamente sensibili eseguite al Forschungszentrum Jülich e simulazioni al computer avanzate. "Solo una tale combinazione di diverse tecniche di caratterizzazione e calcoli teorici fornisce un quadro completo di ciò che accade con gli atomi a livello di nanoscala in un catalizzatore di platino, " afferma Federico Calle-Vallejo dell'Università di Barcellona, responsabile delle simulazioni.

Il prossimo passo per il team è continuare gli esperimenti che forniscono informazioni sui meccanismi di degradazione di ulteriori sfaccettature del modello che imitano bordi e angoli sulle particelle di catalizzatore. Questi risultati forniranno una mappa della stabilità del platino in condizioni di reazione e consentiranno ai ricercatori di sviluppare strategie razionali per la progettazione di catalizzatori più stabili in futuro.