Platinum slår Nanoblasen

Ædelmetal oxiderer hurtigere end forventet - også i bilkatalytiske omformere

Elektronmikroskopisk udsigt ind i det indre af en platinboble. Sådanne bobler opstår også i køretøjet Katalaysator. © DESY, Satishkumar Kulkarni
læst op

Overraskende reaktiv: platin, som ellers er så modstandsdygtig, ændrer sig hurtigere i bilens katalysator og andre tekniske enheder end forventet. I nærvær af varme og stress opstår iltfyldte platinbobler, som oxiderer uventet stærkt på deres inderside. Platinholdige enheder, såsom katalytiske omformere i bilen, kan miste effektiviteten gennem denne reaktion, som forskerne rapporterer.

Overgangsmetallet platin ligner guld som en særlig ædel. For som den er den godt formbar, tæt og især modstandsdygtig. På grund af dets kemiske inertitet korroderer ædelmetallet næppe og pletter ikke. I moderne teknologi er platin imidlertid meget efterspurgt på grund af et andet kendetegn: det er en god katalysator og bruges derfor f.eks. I køretøjer til udstødningsgasrensning.

Men katalysatoren i bilen holder ikke for evigt, dens effektivitet falder markant over tid. Forskere opdagede en af ​​grundene til et par år siden: De små platinpartikler i katalysatorlaget omkring og danner små tårne, der reducerer det aktive overfladeareal.

Platinlag i testen

Men der er en anden grund, da Thomas Keller fra Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Hamborg og hans team fandt ud af det. "Platinum er et teknisk meget vigtigt materiale, " siger Keller. ”Det er ikke fuldt ud forstået under hvilke betingelser platin kan oxidere. At undersøge disse forhold nærmere er vigtigt for mange applikationer. "

Til deres undersøgelse undersøgte forskerne et tyndt platinlag på en yttriumstabiliseret zirkoniumkrystall (YSZ-krystal) - denne kombination findes også i den såkaldte lambda-sonde i køretøjskatalysatorerne. Det dampaflejrede platinlag fungerer som probe til denne sonde. Keller og hans team udsatte YSZ-krystallen for en spænding på 0, 1 volt og en temperatur på 450 grader Celsius - forhold, der hersker i mange tekniske enheder. udstilling

Oxygentryk svulmer bobler

Dog overraskende, når det opvarmes, akkumulerede ilt under det tynde platinlag under stadig stigende tryk. Dette nåede værdier på op til ti bar, hvilket svarer til trykket i et lastbildæk. Under påvirkning af dette ilttryk og forhøjet temperatur ramte platinlaget små bobler, typisk en mikron i diameter.

Tværsnit af en platinboble. Blå: platin, grøn: platinoxid. DESY / Satishkumar Kulkarni, Thomas F. Keller

For at finde ud af, hvad der er inde i disse platinbobler, skar forskerne dem med en fokuseret ionstråle af længde. Resultaterne viste, at boblerne på indersiden var fyldt med et op til 85 nanometer tykt platinoxidlag - bevis på en overraskende høj oxidation af metallet.

Konsekvens for tekniske applikationer

Forskerne har mistanke om, at det høje ilttryk i boblerne fremskynder oxidationen af ​​metallet. "Denne massive oxidation har allerede fundet sted under forhold, hvor dette ikke normalt overholdes, " rapporterer medforfatter Sergey Volkov fra University of Hamburg. "Platin er normalt et meget stabilt materiale og vælges derfor til mange anvendelser, såsom bilkatalysatoren."

De nye fund viser nu, at modstandsdygtigheden af ​​ædle metaller såsom platin kan reduceres markant under visse betingelser. "Dette skal tages i betragtning, når man overvejer processerne ved gasfasegrænsen. For korrekt at beskrive elektroden og elektrolytten i sådanne elektrokemiske og memresistive anordninger, ”sagde forskerne. (Solid State Ionics, 2019; doi: 10.1016 / j.ssi.2018.11.009)

Kilde: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

- Nadja Podbregar