千叶大学的研究人员发现，在燃料电池的铂电极中加入咖啡因可以通过增强氧还原反应来显著提高效率。这一突破有可能降低对铂的需求，从而使燃料电池更具成本效益和效率。这一进步对于燃料电池在各种应用中的广泛应用至关重要，包括运输和发电，作为全球向可持续能源转变的一部分。
在世界范围内摆脱化石燃料的努力中，燃料电池成为一种引人注目的无碳排放能源。这些电池由阳极和阴极组成，由电解质分开，它们直接将燃料的化学能转化为电能。燃料被输送到阳极，氧化剂，通常是空气中的氧气，被输送到阴极。
在氢燃料电池中，氢在阳极氧化，产生氢离子和氢电子。离子通过电解液到达阴极，电子通过外部电路流动，产生电能。在阴极，氧与氢离子和电子结合，产生水作为唯一的副产物。
然而，水的存在会影响燃料电池的性能。它与铂(Pt)催化剂发生反应，在电极上形成一层氢氧化铂(poh)，阻碍了氧还原反应(ORR)的有效催化，导致能量损失。为了保持燃料电池的高效运行，燃料电池需要高铂负载，这大大增加了燃料电池的成本。
咖啡因在定义良好的铂单晶电极上的吸附结构以及咖啡因修饰前后燃料电池空气电极的活性(蓝条)和(橙条)。Credit:千叶大学Nagahiro Hoshi教授
燃料电池催化剂效率的突破
现在，在最近发表在《通讯化学》杂志上的一项研究中，来自日本千叶大学工程研究生院的Nagahiro Hoshi教授和Masashi Nakamura, Ryuta Kubo和Rui Suzuki发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以增加ORR的活性。这一发现有可能减少对铂的需求，使燃料电池更便宜、更高效。
Hoshi教授说:“咖啡因是咖啡中所含的一种化学物质，在原子排列为六边形的铂电极上，它能将燃料电池的反应活性提高11倍。”
咖啡因对铂电极的影响
为了评估咖啡因对ORR的影响，研究人员测量了浸在含有咖啡因的电解质中的铂电极的电流。这些铂电极的表面原子按特定方向排列，即(111)、(110)和(100)。随着电解质中咖啡因浓度的增加，电极的ORR活性有了显著的改善。咖啡因存在时，会吸附在电极表面，有效地防止氢吸附和电极上氧化铂的形成。然而，咖啡因的作用取决于电极表面铂原子的方向。
当咖啡因摩尔浓度为1 × 10?6时，ORR对Pt(111)和Pt(110)的活性分别提高了11倍和2.5倍，对Pt(100)无明显影响。为了了解这种差异，研究人员使用红外反射吸收光谱法研究了咖啡因在电极表面的分子取向。他们发现咖啡因在Pt(111)和Pt(110)表面被吸收，其分子平面垂直于表面。然而，在Pt(100)上，空间位阻使其附着在相对于电极表面倾斜的分子平面上。
“Pt(111)和Pt(110)的ORR活性增加归因于poh覆盖率的降低和吸附咖啡因的空间位阻的降低。相反，对于Pt(100)，降低pth的效果被吸附的咖啡因的空间位阻抵消，因此咖啡因不影响ORR活性，”Hoshi教授解释说。
与寿命有限的电池不同，只要有燃料供应，燃料电池就能发电，这使得它们适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有可能改善燃料电池的设计，并导致其广泛使用。
参考文献:Nagahiro Hoshi, Masashi Nakamura, Ryuta Kubo和Rui Suzuki在咖啡因修饰的铂单晶电极上的增强氧还原反应，2024年2月3日，通讯化学。DOI: 10.1038 / s42004 - 024 - 01113 - 6
这项研究由新能源和工业技术发展组织资助。
