Более полувека платина была известна как один из лучших катализаторов восстановления кислорода, одной из ключевых реакций в топливных элементах. Однако трудно обеспечить долгосрочную высокую активность и стабильность катализаторов, необходимые для массового внедрения водородной технологии в транспортном секторе.
Ученые из Кильского университета (Германия) в сотрудничестве с ESRF, Университетом Виктории (Канада), Барселонским университетом (Испания) и Forschungszentrum Julich (Германия) выяснили, почему и как разлагается платина. «Чтобы объяснить это, мы придумали атомистическую картину», – говорит Олаф Магнуссен, профессор Кильского университета и автор статьи.
Чтобы достичь этого, команда отправилась на канал ID31 ESRF, чтобы изучить различные грани платиновых электродов в растворе электролита.
Они обнаружили, как атомы располагаются и движутся по поверхности в процессе окисления, основной реакции, ответственной за растворение платины.
Результаты открывают двери для атомистической инженерии: «Благодаря этим новым знаниям мы можем представить себе, как нацелены на определенные формы и расположение поверхности наночастиц для повышения стабильности катализатора. Мы также можем узнать, как движутся атомы, поэтому мы потенциально можем добавить поверхностные добавки, чтобы подавить движение атомов в неправильном направлении », – объясняет Якуб Дрнек, ученый из канала ID31 и соавтор исследования.
Тот факт, что эксперименты проводились в электрохимических условиях, аналогичных тому, что происходит в реальном устройстве, был ключевым для воплощения результатов в технологии топливных элементов. «Поскольку поверхность платины быстро изменяется во время окисления, эти измерения стали возможны только благодаря новой, очень быстрой методике определения характеристик структуры поверхности.
Этот метод – высокоэнергетическая поверхностная дифракция рентгеновских лучей – был разработан совместно с ESRF », – объясняет Тимо Фукс из Кильского университета и соавтор исследования. «Фактически, это единственный метод, который может предоставить такую информацию в реальных условиях», – добавляет он. Это первая публикация, в которой движение атомов определялось методом в таких условиях.
Это исследование обязано своим успехом сочетанию рентгеновских измерений в ESRF с высокочувствительными измерениями растворения, выполненными в Forschungszentrum Julich, и передовым компьютерным моделированием. «Только такое сочетание различных методов определения характеристик и теоретических расчетов дает полную картину того, что происходит с атомами на наноразмерном уровне в платиновом катализаторе», – отмечает Федерико Калле-Вальехо из Университета Барселоны, отвечающий за моделирование.
Следующим шагом для команды является продолжение экспериментов, которые позволят понять механизмы деградации дополнительных граней модели, имитирующих края и углы на частицах катализатора. Эти результаты предоставят карту стабильности платины в условиях реакции и позволят исследователям разработать рациональные стратегии для создания более стабильных катализаторов в будущем.