25.01.2019

Platin schlägt Nanoblasen

Technisch wichtiges Edelmetall oxidiert schneller als erwartet.

Das Edelmetall Platin kann unter technisch relevanten Bedin­gungen schneller oxi­dieren als erwartet. Das zeigt eine Unter­suchung aus dem DESY-NanoLab gemein­sam mit der TU Wien. Platin­haltige Geräte wie beispiels­weise Abgas-Kataly­sa­toren im Auto können durch diese Reaktion an Wirk­sam­keit ein­büßen. „Platin ist ein tech­nisch sehr wich­tiges Material“, sagt Thomas Keller vom DESY und der Uni Hamburg. „Es ist nicht um­fassend geklärt, unter welchen Bedin­gungen Platin oxi­dieren kann. Diese Bedin­gungen genauer zu erkunden, ist für zahl­reiche Anwen­dungen von Bedeu­tung.“

Abb.: Im Rasterelektronenmikroskop zeigt der Platin­film nach dem...
Abb.: Im Rasterelektronenmikroskop zeigt der Platin­film nach dem elek­tro­che­mischen Experi­ment viele Blasen. (Bild: S. Kulkarni, DESY)

Die Forscher hatten eine dünne Platinschicht auf einem Yttrium-stabi­li­sierten Zirkon­kristall unter­sucht, eine Kombi­nation, die beispiels­weise in der Lambda-Sonde zur Abgas­kon­trolle im Auto zum Ein­satz kommt. Dieser YSZ-Kristall ist ein Ionen­leiter, er leitet 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 etwa 450 Grad Celsius – Bedin­gungen, wie sie im Betrieb vieler tech­nischer Geräte herrschen. In der Folge sammelte sich der Sauer­stoff unter der undurch­lässigen Platin­schicht bis zu einem Druck von maxi­mal zehn 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 einem Mikro­meter hatten. „Platin­blasen sind ein weit ver­brei­tetes Phänomen, das man gerne besser ver­stehen möchte“, erläutert Keller. „Unsere Unter­suchung kann dabei auch stell­vertre­tend für der­artige elek­tro­chemische Phäno­mene an ver­schie­denen Grenz­flächen dienen.“

Mit einem fokussierten Ionenstrahl 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 Nano­meter 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“, berichtet Sergey Volkov von der Uni Hamburg. „Platin ist in der Regel ein hoch­stabiles Material und wird gerade deshalb für viele Anwen­dungen wie beispiels­weise den Auto-Kata­ly­sator gewählt, weil es sich eben nicht so schnell ver­ändert. Unsere Beob­ach­tung ist daher wichtig für solche Anwen­dungen.“ Die Forscher ver­muten, dass der hohe Sauer­stoff­druck inner­halb der Bläschen die Oxida­tion des Metalls beschleunigt. Das müsse für die Funktion elek­tro­chemischer Sensoren beachtet werden.

DESY / RK

Weitere Infos

Virtuelle Jobbörse

Virtuelle Jobbörse
Eine Kooperation von Wiley-VCH und der DPG

Virtuelle Jobbörse

Innovative Unternehmen präsentieren hier Karriere- und Beschäftigungsmöglichkeiten in ihren Berufsfeldern.

Die Teilnahme ist kostenfrei – erforderlich ist lediglich eine kurze Vorab-Registrierung.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Photo
29.02.2024 • NachrichtForschung

Galaktische Welle

Radcliffe-Welle in der Milchstraße ist Indiz für geringe Menge an dunkler Materie in unserer galaktischen Nachbarschaft.

Themen