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显著提高燃料电池的效率。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。作为全球向可持续能源转变的一部分，这一进步对于燃料电池在运输和发电等各种应用领域的广泛采用至关重要。
在全球努力摒弃化石燃料的过程中，燃料电池成为一种无碳排放的显著能源。这些电池由阳极和阴极组成，并由电解质隔开，直接将燃料的化学能转化为电能。燃料被送入阳极，氧化剂（通常是空气中的氧气）被送入阴极。
在氢燃料电池中，氢在阳极发生氧化，产生氢离子和电子。离子通过电解质移动到阴极，电子则流经外部电路，产生电能。在阴极，氧气与氢离子和电子结合，产生水作为唯一的副产品。
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（PtOH），阻碍了氧还原反应（ORR）的有效催化，导致能量损失。为了保持高效运行，燃料电池需要较高的铂负载，这大大增加了燃料电池的成本。但新的研究发现，咖啡因通过提高氧还原反应的活性可以改善燃料电池的性能。
咖啡因在定义明确的铂单晶电极上的吸附结构，以及咖啡因改性前（蓝色条）和改性后（橙色条）燃料电池空气电极的活性。资料来源：千叶大学教授 Nagahiro Hoshi
在最近发表于《通讯化学》（Communications Chemistry）杂志上的一项研究中，Nagahiro Hoshi 教授与日本千叶大学工程研究生院的 Masashi Nakamura、Ryuta Kubo 和 Rui Suzuki 发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以提高 ORR 的活性。这一发现有可能减少对铂的需求，使燃料电池更经济、更高效。
Hoshi 教授说："咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，在原子排列呈六角形结构的定义明确的铂电极上，它能将燃料电池反应的活性提高 11 倍。"
咖啡因对铂电极的影响
为了评估咖啡因对 ORR 的影响，研究人员测量了通过浸入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)。随着电解液中咖啡因浓度的增加，电极的 ORR 活性明显提高。咖啡因存在时会吸附在电极表面，有效阻止氢吸附和氧化铂在电极上的形成。然而，咖啡因的作用取决于电极表面铂原子的取向。
当咖啡因摩尔浓度为 1 × 10-6 时，Pt(111) 和 Pt(110) 上的 ORR 活性分别增加了 11 倍和 2.5 倍，而对 Pt(100) 没有明显影响。为了理解这种差异，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，咖啡因在铂(111)和铂(110)表面被吸收时，其分子平面垂直于表面。然而，在铂(100)表面，立体阻碍导致咖啡因的分子平面相对于电极表面倾斜。
"Pt(111)和Pt(110)的ORR活性提高是由于PtOH覆盖率降低和吸附的咖啡因的立体阻碍降低。相反，对于 Pt(100)，PtOH 减少的效果被吸附的咖啡因的立体阻碍抵消，因此咖啡因不会影响 ORR 活性，"Hoshi 教授解释说。
与寿命有限的电池不同，燃料电池只要提供燃料就能发电，因此适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有望改进燃料电池的设计，并使其得到广泛应用。
编译自/scitechdaily