Les électrodes en platine lisses deviennent rugueuses et s'usent lorsqu'elles sont soumises à des cycles répétés d'oxydation et de réduction, ce qui provoque la croissance de monticules à l'échelle nanométrique. Les chimistes de Leyde Leon Jacobse et Mark Koper, avec le physicien Marcel Rost, découvert les détails exacts, à l'aide d'un microscope à effet tunnel unique.

Les électrodes en platine, métal noble, sont utilisées dans l'électrolyse et les piles à combustible car elles se détériorent peu malgré une utilisation intensive. Cependant, ils ne sont pas complètement inertes, et ils s'usent à l'usage. "On sait depuis plus d'un siècle qu'ils doivent être prêts à être utiles, " dit Marc Koper, électrochimiste à l'Institut de chimie de Leiden (LIC).

Avant de fonctionner de manière optimale, l'électrode doit subir quelques cycles d'oxydation et de réduction. "On a supposé que cela nettoyait l'électrode, mais ce n'est certainement pas la seule chose qui se passe, " dit Koper. La recherche chimique et physique a montré comment l'oxydation et la réduction répétées rendent le platine rugueux, mais le mécanisme exact derrière ce processus a toujours été un peu mystérieux.

Dans un article antérieur, les trois scientifiques ont montré que la rugosité peut être imagée à une résolution presque atomique avec un microscope à effet tunnel spécial construit par le physicien Marcel Rost à l'Institut de physique de Leiden (LION).

Monticules de platine

"Une aiguille atomiquement tranchante balaie la surface, alors que nous mesurons un courant extrêmement faible, " dit Rost. "C'est ce qu'on appelle le courant tunnel que nous utilisons pour imager la surface de manière atomique. Mais dans ce cas, nous pouvons continuer à le faire pendant que la surface et la pointe font partie d'une cellule électrochimique, dans lequel les courants sont plusieurs fois plus importants que le courant tunnel. Par ici, nous pouvons mesurer la réactivité tout en imageant la surface."

Cette technique rend visible la formation de monticules en croissance à la surface du platine. Au début, une surface de platine parfaite est une plaine d'atomes de platine dans un réseau hexagonal soigné. Lorsque cette surface s'oxyde, une couche épaisse d'un atome d'oxyde de platine se forme. Afin d'intégrer les atomes d'oxygène supplémentaires, certains atomes de platine sont poussés hors de la surface, et ces atomes commencent à errer à la surface. Ces atomes errants sont appelés adatomes. Au cours de leurs voyages, les adatomes se heurtent à d'autres adatomes, et ils se collent pour former de petites îles.

Surprenant

Lorsque la couche d'oxyde de platine est ensuite réduite, les îles adatom restent derrière, avec les emplacements vides dans la couche ci-dessous, appelés postes vacants. Avec oxydants et réducteurs répétés, des monticules commencent à se former à partir de plateaux empilés. Les monticules deviennent plus hauts au milieu et plus profonds sur les bords. "C'était surprenant, " dit Rost, "parce que les monticules ne devraient pas être stables, et devraient fusionner."

des trous

Dans leur article dans ACS Central Science, la coopération physique-chimie de Leyde trace l'évolution du monticule atome par atome. Partant d'une surface de platine initialement plane dans une solution d'acide perchlorique (HClO4) dans l'eau, ils ont oxydé et réduit le platine 170 fois, en faisant varier le potentiel électrique sur la surface, tout en imaginant les marques de pockmarks caractéristiques causées par les monticules. En mesurant le courant électrochimique, et en reliant cela aux images, les chercheurs ont pu préciser les contributions de différentes caractéristiques du plan cristallin.

Mais la forme et la taille exactes des monticules ne pouvaient être expliquées qu'après un saut conceptuel. Il n'y a pas que les adatomes qui peuvent errer, mais les postes vacants peuvent faire exactement la même chose. Un atome à côté de la vacance se déplace pour la remplir, et ainsi la vacance a déplacé un atome. De la même manière, les postes vacants peuvent rencontrer d'autres postes vacants pour se serrer les coudes. Tout comme les adatomes forment des îles, les espaces vacants peuvent s'accrocher pour former des trous de plus en plus.

Solutions énergétiques durables

"L'idée qu'un poste vacant est une sorte d'anti-adatome, n'est pas nouveau, " dit Rost. " Ce qui est nouveau, c'est que les deux partagent des modes de croissance similaires pour former des monticules et des trous. " La description mathématique est identique.

Avec cette perspicacité, la théorie de la croissance cristalline (ajout d'atomes) pourrait être bien traduite en cycles d'oxydo-réduction (ajout simultané d'adatomes et de lacunes).

Les trous et les monticules croissants, pris ensemble, bien expliquer la rugosité expérimentale, les chercheurs montrent dans un article de Nature Communications, qui met l'accent sur la dualité parallèle entre adatomes et postes vacants.

"Les électrodes de platine sont utilisées dans les conversions d'énergie électrochimique, comme dans l'électrolyse et les piles à combustible, " dit Koper. " L'usure et la rugosité des électrodes de platine est le facteur le plus important dans leur longévité, et dans le coût des nouvelles solutions énergétiques durables. Maintenant que nous obtenons une compréhension atomique détaillée de ce processus, nous pouvons travailler beaucoup plus concentrés sur l'amélioration de ces technologies."