Study on the crystallographic orientation dependent electrochemical corrosion rates of platinum.

Die unsichtbare Rüstung der atomaren Welt

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Stärke eines Materials nicht nur davon abhängt, woraus es besteht, sondern wie seine winzigen Bausteine angeordnet sind. Dies ist das Reich der Kristallographie, der Lehre davon, wie Atome wie Ziegel in einer Mauer gestapelt werden. In dieser mikroskopischen Stadt hat jede Oberfläche eine spezifische „Fläche“ oder Orientierung, ganz so, wie ein Würfel eine Oberseite, eine Seite und eine Vorderseite hat. Einige Flächen sind dicht mit Atomen gepackt, wie ein überfüllter U-Bahn-Waggon, während andere offener und spärlicher sind, wie eine Parkbank.

Stellen Sie sich nun vor, diese Atome leben in einer korrosiven Suppe, wie einem Zitronensaftbad, das versucht, sie aufzusaugen. Dies ist elektrochemische Korrosion. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass einige Metalle schneller rosten als andere, aber sie vermuteten auch, dass selbst ein einzelnes Metall, wie das glänzende, teure Platin, das in Brennstoffzellen und Schmuck verwendet wird, je nach der „Fläche“, die der Säure ausgesetzt ist, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zerfallen kann. Es ist ein wenig so, wie eine Holztür auf der Seite, die dem Regen ausgesetzt ist, schneller verrotten kann als auf der Seite, die der Sonne zugewandt ist. Das Verständnis darüber, welche Atomflächen die zähesten sind, ist entscheidend, da Platin ein Superstar in der sauberen Energietechnologie ist; wenn es zu schnell zerfällt, könnten die Maschinen, die unsere Zukunft antreiben, aufhören zu arbeiten.

Die Geschichte des atomaren Detektivs: Wer wird zuerst gefressen?

In dieser Studie agierte ein Team von Forschern als mikroskopische Detektive, um herauszufinden, welche Flächen eines Platinkristalls die härtesten Kekse im Keksglas sind. Sie tauchten nicht einfach ein Stück Metall in Säure und warteten ab; stattdessen verwendeten sie eine leistungsstarke Computersimulation namens „First-Principles-Berechnungen“ (denken Sie an ein superpräzises digitales Mikroskop, das sehen kann, wie sich Atome verhalten, ohne sie tatsächlich zu berühren). Sie erstellten neun verschiedene digitale Modelle von Platin-Oberflächen, die von den dicht gepackten, glatten Flächen bis hin zu den zerklüfteten, offenen variierten, und stellten eine einfache Frage: „Wenn wir euch in ein Säurebad setzen, wie schnell werdet ihr verschwinden?“

Die Forscher entdeckten, dass die Antwort völlig von der „Persönlichkeit“ der atomaren Anordnung abhängt. Sie fanden heraus, dass die Platin (111)-Oberfläche der ultimative Leibwächter ist. Sie ist am dichtesten gepackt, am stabilsten und am schwersten aufzulösen. Am anderen Ende des Spektrums liegt die Platin (401)-Oberfläche. Sie ist eine offene, hochindizierte Fläche mit vielen Nischen und Spalten, in denen die Atome weniger sicher sind, was sie zur ersten macht, die von der Säure weggefressen wird.

Um dies zu visualisieren, stellen Sie sich die Platinatome als Tänzer auf einer Bühne vor. Die (111)-Tänzer halten sich in einem engen, unzerbrechlichen Kreis an den Händen, was es sehr schwer macht, für die „Säuremonster“, einen von ihnen wegzuziehen. Die (401)-Tänzer stehen weit auseinander und rudern mit den Armen, was es der Säure leicht macht, sie einzeln von der Bühne zu schnappen. Die Studie ordnete die Korrosionsraten vom langsamsten (besten) zum schnellsten (schlechtesten) wie folgt ein: (111) < (221) < (211) < (110) < (100) < (210) < (321) < (311) < (401). Auf einfachem Deutsch gesagt: Die (111)-Fläche ist der Champion der Korrosionsbeständigkeit, während die (401)-Fläche die verwundbarste ist.

Doch die Geschichte endet nicht damit, nur zuzusehen, wie die Atome zerfallen. Die Forscher untersuchten auch, wie diese Oberflächen mit Wasserstoff interagieren, einem Gas, das während des Korrosionsprozesses aufsteigt. Sie fanden heraus, dass die (111)-Oberfläche auch am schlechtesten darin ist, Wasserstoff an sich binden zu können und ihn dann wieder loszulassen (ein Prozess, der als Wasserstoffentwicklungsreaktion bezeichnet wird). Es stellt sich heraus, dass die Oberflächen, die gut darin sind, Wasserstoff festzuhalten (wie die (100)- und (311)-Flächen), dazu neigen, schneller zu zerfallen. Es ist ein wenig wie bei einem Tanz, bei dem die Partner, die sich zu fest festhalten, schließlich stolpern und fallen. Die Studie legt nahe, dass die Oberflächen mit den stabilsten atomaren Strukturen und der „genau richtigen“ Menge an Wasserstoff-Interaktion diejenigen sind, die am längsten überleben.

Um sicherzustellen, dass ihre digitale Detektivarbeit nicht nur eine Fantasie war, ging das Team in die reale Welt. Sie nahmen ein echtes Stück Platin, polierten es und tauchten es für eine Minute in eine salzige, saure Lösung. Dann verwendeten sie zwei Hightech-Werkzeuge: eines, um die Kristallflächen abzubilden (EBSD), und ein anderes, um die winzigen Hügel und Täler zu messen, die nach der Arbeit der Säure zurückgeblieben waren (AFM). Die Ergebnisse stimmten perfekt mit ihren Computerprognosen überein. Die (111)-Körner auf dem echten Metall blieben hoch und stolz, kaum von der Säure berührt. Die (100)- und (110)-Körner hingegen waren jedoch signifikant abgetragen und sahen aus, als wären sie angeknabbert worden.

Das Paper kommt zu dem Schluss, dass die Korrosionsbeständigkeit von Platin kein Zufall ist; sie ist ein direktes Ergebnis der Anordnung der Atome. Wenn man eine Platinelektrode bauen möchte, die in einer Brennstoffzelle lange hält, sollte man versuchen, sie so zu konstruieren, dass die zähen (111)-Flächen der Säure zugewandt sind. Diese Studie liefert eine neue „Landkarte“ für Wissenschaftler und zeigt ihnen genau, welche atomaren Flächen die stärksten sind, was hilft, bessere, länger haltbare Materialien für die saubere Energierevolution zu entwerfen. Während die Computersimulationen die detaillierten Ranglisten lieferten, bestätigten die Experimente in der realen Welt, dass die Regeln des atomaren Tanzes auch in der unordentlichen, nassen Welt der Chemie Bestand haben.