Платина окисляется быстрее, чем ожидалось

Платина, благородный металл, окисляется быстрее, чем ожидалось, в условиях, которые являются технологически значимыми. Это стало результатом исследования, проведенного совместно DESY NanoLab и Венским университетом. Устройства, которые содержат платину, такие как каталитические нейтрализаторы, используемые для снижения выхлопных газов в автомобилях, могут потерять эффективность в результате этой реакции.

Команда ученых, возглавляемая Томасом Келлером из DESY и Гамбургского университета, опубликовала недавнее исследование этого явления. «Платина является чрезвычайно важным материалом в технологическом плане», — говорит Келлер. «Условия, при которых платина подвергается окислению, еще не полностью установлены. Изучение этих условий важно для большого числа применений».

Ученые изучили тонкий слой платины, нанесенный на стабилизированный иттрием кристалл циркония (кристалл YSZ), ту же комбинацию, которая используется в лямбда-датчике автомобильных систем выпуска выхлопных газов. Кристалл YSZ представляет собой так называемый ионный проводник, что означает, что он проводит электрически заряженные атомы (ионы), в данном случае ионы кислорода. Напыленный паром слой платины служит электродом. Лямбда-датчик измеряет содержание кислорода в выхлопных газах в автомобиле и преобразует его в электрический сигнал, который, в свою очередь, в электронном виде управляет процессом сгорания топлива.

В DESY NanoLab ученые применили разность потенциалов около 0,1 В к кристаллу YSZ с платиновым покрытием и нагрели его примерно до 450 градусов Цельсия — условия, подобные тем, которые встречаются во многих технических устройствах.

В результате кислород, собранный под непроницаемой платиновой пленкой, достигает давления до 10 бар, что соответствует давлению в шинах грузовика. Давление, оказываемое кислородом, наряду с повышенной температурой вызывало образование небольших пузырьков внутри платиновой пленки, обычно имеющих диаметр около 1000 нанометров (0,001 миллиметра). «Платиновое образование пузырей является широко распространенным явлением, и мы хотели бы лучше понять его», — объясняет Келлер. «Наше исследование также можно считать представителем этого типа электрохимического явления в ряде других пограничных слоев».

Ученые использовали сфокусированный ионный пучок (FIB) в качестве своего рода сверхострого скальпеля, чтобы разрезать платиновые пузырьки и более тщательно исследовать их внутреннюю часть. Они обнаружили, что внутренняя поверхность пузырьков была покрыта слоем оксида платины, толщина которого может достигать 85 нанометров, что намного толще, чем ожидалось.

«Это массивное окисление происходило в условиях, при которых оно обычно не наблюдается», — сообщают исследователи. «Как правило, платина является высокостабильным материалом, именно поэтому ее выбирают для многих применений, таких как каталитические нейтрализаторы в автомобилях, поскольку ее нелегко изменить. Поэтому наши наблюдения важны для таких применений».

Ученые подозревают, что высокое давление кислорода внутри пузырька ускоряет окисление металла. Это необходимо учитывать при работе электрохимических датчиков.

T.F. Keller et al, Nano-scale oxide formation inside electrochemically-formed Pt blisters at a solid electrolyte interface, Solid State Ionics (2018). DOI: 10.1016/j.ssi.2018.11.009