Los electrodos de platino lisos se vuelven ásperos y se desgastan cuando se someten a ciclos repetidos de oxidación y reducción. lo que hace que crezcan montículos de escala nanométrica. Los químicos de Leiden Leon Jacobse y Mark Koper, junto con el físico Marcel Rost, descubrió los detalles exactos, utilizando un microscopio de efecto túnel único.

Los electrodos fabricados con platino, un metal noble, se utilizan en electrólisis y pilas de combustible porque apenas se deterioran a pesar del uso intensivo. Sin embargo, no son completamente inertes, y se desgastan con el uso. "Se sabe desde hace más de un siglo que deben estar preparados para ser útiles, "dice Marc Koper, electroquímico en el Instituto de Química de Leiden (LIC).

Antes de que funcione de manera óptima, el electrodo tiene que sufrir algunos ciclos de oxidación y reducción. "Se asumió que esto limpiaba el electrodo, pero ciertamente esto no es lo único que está sucediendo, "dice Koper. La investigación química y física ha demostrado cómo la oxidación y la reducción repetidas hacen áspero el platino, pero el mecanismo exacto detrás de este proceso siempre ha sido un misterio.

En un artículo anterior, Los tres científicos demostraron que la rugosidad se puede obtener con una resolución casi atómica con un microscopio de túnel de barrido especial construido por el físico Marcel Rost en el Instituto de Física de Leiden (LION).

Montículos de platino

"Una aguja atómicamente afilada escanea la superficie, mientras medimos una corriente extremadamente pequeña, "dice Rost." Esta es la llamada corriente de túnel que usamos para obtener imágenes de la superficie atómicamente. Pero en este caso, podemos seguir haciendo esto mientras la superficie y la punta son parte de una celda electroquímica, en el que las corrientes corren muchas veces más grandes que la corriente del túnel. De esta manera, podemos medir la reactividad mientras seguimos obteniendo imágenes de la superficie ".

Esta técnica hace visible cómo se forman los montículos crecientes en la superficie del platino. Al principio, una superficie de platino perfecta es un plano de átomos de platino en un enrejado hexagonal ordenado. Cuando esta superficie se oxida, se forma una capa de un átomo de espesor de óxido de platino. Para caber en los átomos de oxígeno adicionales, algunos átomos de platino son expulsados ​​de la superficie, y estos átomos comienzan a vagar por la superficie. Estos átomos errantes se denominan adatomos. Durante sus viajes, adatoms se topan con otros adatoms, y se pegan para formar pequeñas islas.

Sorprendente

Cuando la capa de óxido de platino se reduce posteriormente, las islas adatom se quedan atrás, junto con los espacios vacíos en la capa de abajo, llamadas vacantes. Con oxidante y reductor repetidos, comienzan a formarse montículos hechos de mesetas apiladas. Los montículos se vuelven más altos en el medio y más profundos en los bordes. "Esto fue sorprendente, "dice Rost, "porque los montículos no deberían ser estables, y deberían fusionarse ".

Agujeros

En su artículo en ACS Central Science, la cooperación física-química de Leiden traza la evolución del montículo átomo por átomo. Comenzando con una superficie de platino inicialmente plana en una solución de ácido perclórico (HClO4) en agua, oxidaron y redujeron el platino 170 veces, variando el potencial eléctrico sobre la superficie, mientras imagina las marcas de viruela características causadas por los montículos. Midiendo la corriente electroquímica, y conectando eso con las imágenes, los investigadores pudieron especificar las contribuciones de diferentes características del plano cristalino.

Pero la forma y el tamaño exactos de los montículos solo pudieron explicarse después de un salto conceptual. No solo los adatoms pueden deambular, pero las vacantes pueden hacer exactamente lo mismo. Un átomo al lado de la vacante se mueve para llenarlo, y así la vacante se ha movido un átomo. Similar, Las vacantes pueden cumplir con otras vacantes para aferrarse juntas. Así como los adatomos forman islas, las vacantes pueden adherirse entre sí para formar agujeros crecientes.

Soluciones energéticas sostenibles

"La idea de que una vacante es una especie de anti-adatoma, no es nuevo "dice Rost." Lo que es nuevo es que ambos comparten modos de crecimiento similares para dar forma a montículos y agujeros ". La descripción matemática es idéntica.

Con esta intuición, la teoría del crecimiento de cristales (agregando átomos) podría traducirse muy bien a los ciclos de oxidación-reducción (agregando adatoms y vacantes simultáneamente).

Los agujeros y montículos crecientes, tomados en conjunto, explica muy bien la rugosidad experimental, los investigadores muestran en un artículo de Nature Communications, que enfatiza la dualidad paralela entre adatoms y vacantes.

"Los electrodos Platina se utilizan en conversiones de energía electroquímica, como en la electrólisis y las pilas de combustible, "dice Koper." El desgaste y la rugosidad de los electrodos de platino es el factor más importante en su longevidad, y en el costo de nuevas soluciones energéticas sostenibles. Ahora que estamos obteniendo una comprensión atómicamente detallada de este proceso, podemos trabajar mucho más enfocados en mejorar estas tecnologías ".