Kathodische corrosie – verwoestend maar voorspelbaar

Een Indiase stepwell op nanoschaal. Dat is wat postdoc Nakkiran Arulmozhi het patroon noemt dat hij zag toen hij een speciaal soort platinakristal aantastte. De unieke beelden tonen de vernietigende kracht van het proces, maar laten ook zien hoe voorspelbaar het is.

Corrosie kan op verschillende manieren plaatsvinden. Anodische corrosie wordt bijvoorbeeld roest op uw fiets genoemd. Het oppervlak oxideert en het gevormde metaaloxide kan oplossen als de omstandigheden goed zijn. “In eerste instantie dachten we dat dit ook zou gebeuren met de echte platina-elektroden”, zegt Arulmozhi. Hitachi High-Tech Corporation, een Japans bedrijf, vroeg Arulmozhi’s supervisor Marc Koper, hoogleraar Catalysis and Surface Chemistry, om de slijtage van de elektroden te onderzoeken in de hoop dat ze hun levensduur zouden kunnen verbeteren.

Onverwachte wending

De onderzoekers ontdekten al snel dat er iets anders aan de hand was en publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift PNAS. “Het lijkt zeer waarschijnlijk dat dit geen anodische, maar kathodische corrosie is”, zegt Koper. Bij dit proces wordt een metaal gereduceerd, waardoor een metaalhydride ontstaat. “Je zou denken dat dit helemaal niet kan, omdat een metaal al helemaal is gereduceerd. Maar onder kathodische omstandigheden, met andere woorden bij een negatieve spanning, corrodeert platina wel.”

De verbindingen die ontstaan ​​door kathodische corrosie zijn extreem onstabiel, dus je kunt ze niet direct meten. “We moeten aannemen dat ze worden gevormd en binnen zeer korte tijd reageren met een watermolecuul, waardoor ze weer oxideren tot platina”, zegt Koper. “Wat we echter kunnen zien, is dat de structuur van het materiaal verandert.”

Niet willekeurig

Arulmozhi visualiseerde het proces door speciaal ontworpen platinakristallen op een gecontroleerde manier te corroderen. Een metalen oppervlak bestaat normaal gesproken uit een wirwar van zogenaamde facetten. In elk facet zijn de atomen op een specifieke manier gerangschikt. Arulmozhi maakte de kristallen zo dat hij precies wist waar elk facet zich bevindt en hoe de atomaire structuur is opgebouwd.

“Ik zag dat het slijtageproces van het platina per facet verschilt”, zegt Arulmozhi. Op de afbeeldingen kun je zien hoe het groengekleurde facet, Pt (110), nauwelijks corrodeert, terwijl het blauwgekleurde oppervlak, Pt (100), een proces ondergaat dat de onderzoekers fractale etsing noemen. “De slijtage begint in de vorm van een vierkant. Langzaam verandert dit in een omgekeerde piramide, waarin uiteindelijk een mooie fractal met verschillende vertakkingen ontstaat. Ze doen me denken aan een Indiase stepwell, maar dan op nanoschaal.”

“We hadden nooit verwacht dat dit proces zo ordelijk zou verlopen”, zegt Koper. “Het maakt kathodische corrosie voorspelbaar en hopelijk kunnen we daar slim gebruik van maken, bijvoorbeeld door platina-elektroden te ontwerpen met alleen atomaire structuren die niet of nauwelijks corroderen.”

In andere gevallen is kathodische corrosie een wenselijke factor. “Je kunt er nanodeeltjes mee maken”, zegt Arulmozhi. “Deze ontstaan ​​wanneer een metaaldeeltje door corrosie loskomt van het oppervlak en zich bindt aan een ander metaaldeeltje in de oplossing. In dat geval wil je een materiaal met facetten die snel slijten, zoals Pt (100).”