Bildung von Platinoxid unter Bedingungen der Sauerstoffentwicklungsreaktion

Warum das für saubere Energie wichtig ist

Platin ist ein Schlüsselmetall in Geräten, die Strom in Wasserstoff umwandeln und wieder zurück, doch es nutzt sich im Betrieb langsam ab. Diese Studie untersucht eingehend, was mit einer glatten Platinoberfläche passiert, wenn sie unter besonders harten Wasserspaltungbedingungen stark belastet wird, und zeigt, wie eine dünne, schützende, aber die Aktivität einschränkende Oxidschicht wächst und sich verändert. Das Verständnis dieser verborgenen Schicht hilft Ingenieurinnen und Ingenieuren, langlebigere Brennstoffzellen und Elektrolyseure für ein CO2‑armes Energiesystem zu entwickeln.

Ein genauerer Blick auf Platin in Aktion

In Brennstoffzellen und Elektrolyseuren liegt Platin an der Grenze zwischen einem festen Metallelektroden und einer wässrigen Säurelösung. Unter moderaten Betriebsbedingungen ist diese Grenzfläche gut verstanden und relativ stabil. Probleme treten auf, wenn die Spannung in den Bereich ansteigt, in dem die Sauerstoffentwicklungsreaktion – der Prozess, der Sauerstoffgas aus Wasser freisetzt – relevant wird. In realen Geräten kann dies bei Start und Abschalten passieren, wenn Spannungsspitzen auftreten. Die Autorinnen und Autoren wollten atomgenau beobachten, wie sich eine perfekt geordnete Platinoberfläche in diesem harten Regime verändert und wie diese Veränderungen mit Leistungsverlust und langfristigen Schäden zusammenhängen.

Die Oberfläche bei der Arbeit beobachten

Um die Platinoberfläche in Echtzeit zu verfolgen, verwendete das Team eine eigens entwickelte Anlage, die eine rotierende Scheibenelektrode, die kontinuierlich frische Lösung über das Metall führt, mit energiereicher Oberflächen-Röntgenbeugung kombiniert. Damit können sie die exakten Positionen der Atome an der Metalloberfläche untersuchen, während die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei realistischen Stromdichten läuft. Sie erhöhten die Spannung schrittweise auf etwa 2,1 Volt, deutlich höher als in früheren Studien, und zeichneten die Veränderungen des Beugungssignals auf. Ergänzt wurden diese operando‑Messungen durch Röntgenreflektivität, um Dicke und Dichte eines Oberflächenfilms zu bestimmen, und durch Röntgen‑Photoelektronenspektroskopie, um den chemischen Zustand der Platinate nach der Oxidation zu identifizieren.

Vom glatten Metall zu dünnem, rauem Oxid

Die Röntgenbeugungsdaten zeigen, dass die Oxidation der Platinoberfläche nicht plötzlich einsetzt. Stattdessen werden Atome in der obersten Lage leicht nach außen gezogen in einem sogenannten Platztauschprozess, wodurch Vacancies entstehen und eine erste, geordnete Stufe der Oberflächenoxidation bei rund einem Volt entsteht. Wenn die Spannung weiter zwischen etwa 1,2 und 1,6 Volt ansteigt, verlassen mehr Atome ihre regulären Positionen und fügen sich zu einer stark ungeordneten Oxidschicht zusammen, die nicht mehr mit dem darunterliegenden Kristall ausgerichtet ist. Die Oberfläche wird zunächst rauer, glättet sich dann aber wieder, als ein kontinuierlicherer Oxidfilm entsteht. Die Analyse zeigt, dass Platinatome effektiv schichtweise aus dem Metall entfernt werden, ähnlich einem umgekehrten Kristallwachstumsprozess, gesteuert durch die angelegte Spannung.

Messung der verborgenen Oxidschicht

Da das ungeordnete Oxid kein klares Beugungsmuster liefert, nutzten die Forschenden Röntgenreflektivität, um den Film als Ganzes zu messen. Diese Messungen zeigen, dass sich eine sehr dünne Platinoxid­schicht, weniger als ein Nanometer dick, auf der Oberfläche bildet und mit steigender Spannung leicht dicker und rauer wird. Ihre Dichte entspricht der für eine defektbehaftete Variante einer bekannten Platin­dioxidstruktur erwarteten Dichte. Vergleicht man die aus der Reflektivität abgeleitete Dicke mit der Anzahl der in den Beugungsdaten verschobenen Atome und mit der elektrischen Ladung, die nötig ist, um das Oxid in separaten Experimenten zu entfernen, stimmen alle drei Ansätze überein: Die Oxiddicke nimmt nahezu linear mit der angelegten Spannung zu.

Was für ein Oxid ist das?

Die spektroskopischen Ergebnisse bestätigen, dass der Großteil des oxidierten Platins in einem hohen Oxidationszustand vorliegt, konsistent mit Platin­dioxid, wobei ein kleinerer Anteil in einem niedrigeren Oxidationszustand existiert. Das passt zu einem Bild, in dem eine dünne, defektbehaftete Platin­dioxid­schicht das Metall bedeckt, möglicherweise mit einer zusätzlichen sauerstoffreichen Lage an der Grenze zwischen Oxid und Metall. Das Oxid ist an der Luft stabil, baut sich aber im Vakuum langsam ab, was darauf hinweist, dass es thermodynamisch nur marginal stabil ist und durch die elektrochemischen Bedingungen erhalten wird. Das darunterliegende Metall bleibt leitfähig, wodurch das elektrische Feld über dem Oxid weiteres, selbstbegrenztes Wachstum antreibt.

Was das für zukünftige Geräte bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Platin in Wasserspaltungssystemen bildet eine kontrollierbare, nanometergroße Rostschicht, die es sowohl schützt als auch schwächt. Dieses Oxid entsteht schrittweise von der obersten Atomlage nach unten, wenn die Spannung steigt, und seine Dicke wird hauptsächlich durch das elektrische Feld festgelegt und weniger durch einfache chemische Einwirkung von Sauerstoff. Der Film schützt das tiefere Metall vor schneller Zerstörung, reduziert jedoch die Oberflächenaktivität zur Sauerstoffproduktion. Indem die Studie dieses Gleichgewicht auf atomarer Ebene offenlegt, liefert sie eine Orientierung für die Verbesserung von Betriebsprotokollen und für die Entwicklung neuer Katalysatormaterialien, die die schützenden Eigenschaften dieser Oxidschicht nachahmen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Zitation: Jacobse, L., Schuster, R., Kohantorabi, M. et al. Platinum oxide formation under oxygen evolution reaction conditions. Nat Commun 17, 4368 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72954-z

Schlüsselwörter: Platinoxidation, Sauerstoffentwicklungsreaktion, Stabilität von Elektrokatalysatoren, Brennstoffzellen, Wasserelektrolyse