Kathodische corrosie: verwoestend maar voorspelbaar
Een Indiase getrapte waterput op nanoschaal. Zo noemt postdoc Nakkiran Arulmozhi het patroon dat hij zag ontstaan toen hij een speciaal soort platinum-kristal liet corroderen. De unieke beelden tonen de destructiviteit van het proces aan, maar laten ook zien hoe voorspelbaar het is.
Corrosie kan op verschillende manieren plaatsvinden. Anodische corrosie ken je bijvoorbeeld als roest op je fiets. Het oppervlak oxideert en het gevormde metaaloxide lost eventueel op als die gelegenheid er is. ‘In eerste instantie dachten we dat dit ook gebeurt met echte platinum-elektrodes,’ zegt Arulmozhi. Het Japanse bedrijf Hitachi High-Tech Corporation vroeg aan Arulmozhi's begeleider Marc Koper, hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie, om de slijtage van de elektrodes te onderzoeken, in de hoop dat ze de levensduur ervan kunnen verbeteren.
Onverwachte twist
De onderzoekers ontdekten al snel dat er iets anders aan de hand is. Ze publiceerden hun bevindingen in het blad PNAS. ‘Het lijkt er sterk op dat hier geen anodische, maar kathodische corrosie plaatsvindt,’ zegt Koper. Bij dit proces reduceert een metaal, waardoor een metaalhydride ontstaat. ‘Je zou denken dat dat helemaal niet kan, want een metaal is al helemaal gereduceerd. Maar onder kathodische condities, dus bij een negatieve spanning, corrodeert platinum wel degelijk.’
De verbindingen die bij kathodische corrosie ontstaan zijn extreem instabiel, waardoor je ze niet kunt zien. ‘We moeten aannemen dat ze ontstaan en in heel korte tijd een watermolecuul tegenkomen, waarna ze weer oxideren tot platinum,' zegt Koper. ‘Wat we wél kunnen zien, is dat het materiaal van structuur verandert.’
Niet willekeurig
Arulmozhi bracht het proces in beeld door speciaal ontworpen platinum-kristallen op een gecontroleerde manier te corroderen. Een metaaloppervlak bestaat normaal gesproken uit een wirwar van zogenoemde facetten. In ieder facet zijn de atomen op een specifieke manier gerangschikt. Arulmozhi maakte de kristallen op zo'n manier, dat hij precies wist waar welk facet zich bevindt en hoe de atoomstructuur is opgebouwd.
‘Ik zag dat het slijtageproces van het platina verschilt per facet,’ zegt Arulmozhi. Op de beelden zie je hoe de groen gekleurde facet, Pt(110), nauwelijks corrodeert, terwijl het blauw gekleurde oppervlak, Pt(100), een proces ondergaat dat de onderzoekers fractal etching noemen. ‘De slijtage start in de vorm van een vierkant. Langzaam verandert dit in een omgekeerde piramide, waarin uiteindelijk een prachtige fractal met verschillende vertakkingen ontstaat. Ze doen me denken aan een Indiase getrapte waterput, maar dan op nanoschaal.’
(On)gewenst effect
‘We hadden nooit verwacht dat dit proces zo geordend verloopt,’ vertelt Koper. ‘Het maakt kathodische corrosie voorspelbaar en daar kunnen we hopelijk slim gebruik van maken, bijvoorbeeld door platinum-elektrodes te ontwerpen met enkel atoomstructuren die niet of nauwelijks corroderen.’
In andere gevallen is kathodische corrosie juist een gewenste factor. ‘Je kunt er nanodeeltjes mee maken,’ zegt Arulmozhi. ‘Die ontstaan als een metaaldeeltje door corrosie loslaat van het oppervlak en in de oplossing bindt aan een ander metaaldeeltje. Dan wil je dus een materiaal van facetten die gemakkelijk slijten, zoals Pt(100).’
Publicatie
Nakkiran Arulmozhi, Thomas J. P. Hersbach & Marc T. M. Koper, Nanoscale morphological evolution of monocrystalline Pt surfaces during cathodic corrosion (PNAS, 7 december 2020)
Tekst: Michelle Wijma