Technisch wichtiges Edelmetall oxidiert schneller als erwartet - das zumindest lassen Untersuchungen der Technischen Universität Wien am DESY-NanoLab vermuten
Das Edelmetall Platin kann unter technisch relevanten Bedingungen schneller oxidieren als erwartet. Das zeigt eine Untersuchung aus dem DESY-NanoLab gemeinsam mit der Technischen Universität Wien. Platinhaltige Geräte wie beispielsweise Abgaskatalysatoren im Auto können durch diese Reaktion an Wirksamkeit einbüßen. Das Team um Hauptautor Thomas Keller von DESY und der Universität Hamburg stellt seine Untersuchungen in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Solid State Ionics vor. Das Ergebnis war auch eines der Themen bei den Nutzertreffen der Hamburger Röntgenlichtquellen, die vor kurzem bei DESY stattgefunden hat und zu denen sich mehr als 1000 Teilnehmerinnen und Teilnehmer angemeldet hatten.
Platin ist nach den Worten von Thomas Keller ein technisch sehr wichtiges Material. Allerdings sei es nicht umfassend geklärt, unter welchen Bedingungen Platin oxidieren kann. Diese Bedingungen genauer zu erkunden, ist für zahlreiche Anwendungen von Bedeutung.
Die Forscher hatten eine dünne Platinschicht auf einem Yttrium-stabilisierten Zirkonkristall (YSZ-Kristall) untersucht, eine Kombination, die beispielsweise in der Lambda-Sonde zur Abgaskontrolle im Auto zum Einsatz kommt. Der YSZ-Kristall ist ein sogenannter Ionenleiter, das heißt, er leitet elektrisch geladene Atome (Ionen), in diesem Fall Sauerstoffionen. Die aufgedampfte Platinschicht dient als Elektrode. Mit der Lambda-Sonde wird der Sauerstoffgehalt des Abgases gemessen und in ein elektrisches Signal verwandelt, mit dem elektronisch die Verbrennung im Motor so gesteuert wird, dass die Schadstoffe in den Abgasen minimiert werden.
Im DESY-NanoLab legten die Forscher eine elektrische Spannung von ungefähr 0,1 Volt an den platinbedampften YSZ-Kristall und erhitzten ihn auf rund 450 °C – Bedingungen, wie sie im Betrieb von vielen technischen Geräten herrschen. In der Folge sammelte sich der Sauerstoff unter der undurchlässigen Platinschicht bis zu einem Druck von maximal 10 bar, wie er beispielsweise in LKW-Reifen herrscht. Unter Einfluss dieses Sauerstoffdrucks und der erhöhten Temperatur schlug die Platinschicht kleine Blasen, die typischerweise einen Durchmesser von 1 µm (1 Mikrometer entspricht 0,001 Millimeter) hatten. Platinblasen sind nach Aussage von Thomas Keller ein weit verbreitetes Phänomen, das gerne besser verstanden wird. Die durchgeführte Untersuchung kann dabei auch stellvertretend für derartige elektrochemische Phänomene an verschiedenen Grenzflächen dienen.
Mit einem fokussierten Ionenstrahl (Focused Ion Beam, FIB) haben die Wissenschaftler die Platinblasen wie mit einem ultrascharfen Skalpell der Länge nach aufgeschnitten, um das Innere genauer zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Bläschen auf der Innenseite von einer bis zu 85 nm (1 Nanometer (nm) enspricht 0,001 µm) dicken Platinoxidschicht gesäumt waren, die damit viel dicker ausfiel als erwartet.
Diese massive Oxidierung hat bereits unter Bedingungen stattgefunden, unter denen dies normalerweise nicht beobachtet wird, wie Ko-Autor Sergey Volkov berichtet, der dieses Thema im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Hamburg untersuchte. Platin ist in der Regel ein hochstabiles Material und wird gerade deshalb für viele Anwendungen, wie beispielsweise den Autokatalysator, gewählt, weil es sich eben nicht so schnell verändert. Die Beobachtung der Forscher ist daher wichtig für solche Anwendungen. Sie vermuten, dass der hohe Sauerstoffdruck innerhalb der Bläschen die Oxidation des Metalls beschleunigt. Dies muss ihnen zufolge für die Funktion von elektrochemischen Sensoren beachtet werden.
Auf der Veranstaltung in Hamburg trafen sich Nutzerinnen und Nutzer der Röntgenlichtquellen PETRA III und FLASH sowie des europäischen Röntgenlasers European XFEL. Mit insgesamt mehr als 1000 Anmeldungen aus 30 Nationen war diese Zusammenkunft eine der weltweit größten ihrer Art. In mehr als 30 Plenarvorträgen und 18 Satelliten-Workshops sowie auf über 350 wissenschaftlichen Postern wurden neue Untersuchungstechniken, Analysemethoden und Resultate vorgestellt sowie Anwendungen und Weiterentwicklungen der Röntgenlichtquellen diskutiert. Eine der Hauptrollen spielte in diesem Jahr der geplante Ausbau von DESYs Röntgenring PETRA III zum ultimativen 3D-Röntgenmikroskop PETRA IV, das hundertmal detailreichere Bilder aus dem Nanokosmos liefern wird. Begleitend zeigen rund 80 Firmen ihre hochspezialisierten Produkte für die Spitzenforschung auf einer Industriemesse.
Die Metropolregion Hamburg hat sich in den vergangenen Jahren zu einem weltweit einzigartigen Zentrum für die Erforschung des Nanokosmos entwickelt: Mit der einmaligen Kombination von Großforschungsanlagen lassen sich neue Materialien auf atomarer Ebene erkunden, Struktur und Dynamik medizinisch relevanter Biomoleküle verstehen, chemische Reaktionen filmen und das Innere von Sternen und Planeten im Labor simulieren.
Hinweis zur Originalarbeit
Nano-scale oxide formation inside electrochemically-formed Pt blisters at a solid electrolyte interface; T.F. Keller, S. Volkov, E. Navickas, S. Kulkarni, V. Vonk, J. Fleig, A. Stierle; Solid State Ionics, 2019; DOI: 10.1016/j.ssi.2018.11.009
Im Rasterelektronenmikroskop zeigt der Platinfilm nach dem elektrochemischen Experiment viele Blasen
(Bild: DESY, Satishkumar Kulkarni)
Elektronenmikroskopischer Blick in das Innere einer Platinblase über den FIB-Querschnitt; unter der hohlen Platinblase ist der kantige YSZ-Kristall zu erkennen (Bild: DESY, Satishkumar Kulkarni)
Text zum Titelbild: Die Elementanalyse der mit einer schützenden Schicht versehenen Platinblase zeigt eine äußere metallische Schale aus Platin (blau eingefärbt) und eine innere Schale aus Platinoxid (grün eingefärbt)(Bild: DESY, Satishkumar Kulkarni/Thomas F. Keller)
