Resolver o caso da platina desaparecida
Durante quase duas décadas, os cientistas tentaram compreender como é que os elétrodos de platina polarizados negativamente se corroem, um mistério dispendioso que atormenta os eletrolisadores de água, uma tecnologia energética promissora para a produção de hidrogénio, bem como os sensores eletroquímicos que utilizam elétrodos de platina.
Agora, uma estreita colaboração entre investigadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Leiden identificou finalmente o culpado, abrindo potencialmente o caminho para uma produção de energia de hidrogénio mais barata e sensores eletroquímicos mais fiáveis. Os resultados foram publicados na revista Nature Materials.
Os eletrolisadores e muitos outros dispositivos eletroquímicos dependem frequentemente de elétrodos de platina polarizados negativamente e submersos num eletrólito – essencialmente água salgada. Trata-se de uma opção cara, mas durável e geralmente estável, “mas o facto de ser bastante estável não significa que não se degrade”, afirma Dimosthenis Sokaras, cientista sénior da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e investigador principal da equipa do SLAC.
Para a maioria dos metais, a polarização negativa protege contra a corrosão. Mas os elétrodos de platina podem decompor-se rapidamente nestas condições, uma estranha peculiaridade que tem intrigado os cientistas.
“Se pegarmos num pedaço de platina e aplicarmos um potencial muito negativo, podemos dissolver a platina numa questão de minutos”, diz Marc Koper, professor de catálise e química de superfícies na Universidade de Leiden e principal investigador da equipa de Leiden.
Duas teorias proeminentes tentaram explicar este processo. Alguns cientistas pensaram que a culpa era dos iões de sódio da solução eletrolítica. Estes iões, segundo a teoria, penetravam na estrutura atómica da platina e formavam platinídeos – átomos de platina com iões de sódio de carga positiva – que se desprendiam. Outros sugeriram um processo semelhante, mas apontaram o dedo aos iões de sódio e hidrogénio – ou seja, protões – que trabalham em conjunto para produzir hidretos de platina.
A equipa de investigação sabia que teria de observar de alguma forma a platina enquanto esta se corroía num eletrólito e produzia muito hidrogénio. Para tal, a equipa dirigiu-se ao SSRL, onde os investigadores desenvolveram técnicas de espetroscopia de raios X de alta resolução energética que podiam penetrar no eletrólito e filtrar outros efeitos, permitindo aos investigadores concentrarem-se em alterações subtis no elétrodo de platina em funcionamento.
“Para nós, a espetroscopia de absorção de raios X de alta resolução energética foi a única técnica que conseguimos encontrar para lidar com as condições experimentais”, disse Thom Hersbach, cientista do SLAC.
Além disso, a equipa desenvolveu uma “célula de fluxo” especial, disse Sokaras, que permite eliminar as bolhas de hidrogénio que se formam durante o funcionamento do elétrodo e que interferem com a experiência de raios X.
Utilizando estas capacidades em conjunto, a equipa fez as primeiras observações de sempre da corrosão ativa da platina, registando espectros de raios X da superfície do elétrodo polarizado negativamente.
Antes de realizar a experiência, os investigadores tinham um palpite de que os hidretos eram os culpados pela corrosão, mas foram necessários vários anos de análise dos dados para poderem provar esta hipótese.
Foram necessárias muitas e muitas iterações diferentes para tentar perceber “como é que captamos com precisão o que se está a passar?”” disse Hersbach.
Utilizando modelos computacionais de hidretos e platinetos de platina, os investigadores simularam os espectros que esperariam ver de cada estrutura sob o feixe de raios X do SSRL. A comparação dos vários espectros simulados com os resultados da sua experiência confirmou que apenas o hidreto de platina poderia ter produzido os seus resultados. “Ao fazer avançar as fronteiras da ciência dos raios X, o SSRL desenvolveu métodos operando que, combinados com a moderna supercomputação, nos permitem agora abordar questões científicas com décadas de existência”, afirmou Sokaras.
Agora, as descobertas da equipa podem ser utilizadas para desenvolver soluções para a corrosão da platina em eletrolisadores e muitos outros dispositivos eletroquímicos. O projeto, diz Koper, “mostra como é importante para a ciência reunir uma grande quantidade de conhecimentos especializados”.
O SSRL é uma instalação do Gabinete de Ciência do DOE.
