Med de globala målen på att övergå från fossila bränslen framstår bränsleceller som en lovande kolfri energikälla. Bränsleceller består av en anod och en katod som är åtskilda av en elektrolyt och omvandlar den kemiska energin från bränsle direkt till elektricitet. Anoden tar emot bränslet, medan ett oxidationsmedel, vanligtvis syre från luften, införs vid katoden.
I en vätebränslecell genomgår väte oxidation vid anoden och producerar vätejoner och elektroner. Jonerna rör sig genom elektrolyten till katoden, och elektroner strömmar genom en extern krets och genererar elektricitet. Vid katoden kombineras syre med vätejonerna och elektronerna, vilket resulterar i vatten som den enda biprodukten.
Närvaron av vatten påverkar dock bränslecellens prestanda. Den reagerar med platina (Pt)-katalysatorn och bildar ett lager av platinahydroxid (PtOH) på elektroden, vilket hindrar den effektiva katalysen av syrereduktionsreaktionen (ORR), vilket leder till energiförluster. För att upprätthålla effektiv drift kräver bränsleceller en hög Pt-belastning, vilket avsevärt ökar kostnaderna för bränsleceller.
Nu, i en studie publicerad i tidskriften Communications Chemistry den 3 februari 2024 har professor Nagahiro Hoshi, tillsammans med Masashi Nakamura, Ryuta Kubo och Rui Suzuki, alla från Graduate School of Engineering vid Chiba University, Japan, funnit att tillsats av koffein till vissa platinaelektroder kan öka aktiviteten hos ORR. Denna upptäckt har potential att minska platinakraven, vilket gör bränsleceller mer överkomliga och effektiva.
"Koffein, en av kemikalierna som finns i kaffe, ökar aktiviteten hos en bränslecellsreaktion 11 gånger på en väldefinierad Pt-elektrod vars atomarrangemang har en hexagonal struktur", säger Prof. Hoshi.
För att bedöma koffeinets inverkan på ORR, mätte forskare strömflödet genom platinaelektroder nedsänkta i en elektrolyt som innehåller koffein. Dessa platinaelektroder hade ytatomer arrangerade i specifika riktningar, nämligen (111), (110) och (100).
Det fanns en märkbar förbättring av elektrodens ORR-aktivitet med en ökning av koffeinkoncentrationen i elektrolyten. Koffein, när det är närvarande, adsorberas på elektrodens yta, vilket effektivt förhindrar väteadsorption och bildandet av Pt-oxid på elektroden. Effekten av koffeinet berodde dock på orienteringen av platinaatomerna på elektrodens yta.
Vid en molär koffeinkoncentration på 1 × 10 −6 , ökade ORR-aktiviteten på Pt(111) och Pt(110) med 11 respektive 2,5 gånger, utan någon märkbar effekt på Pt(100). För att förstå denna skillnad undersökte forskarna koffeinets molekylära orientering på elektrodytan med hjälp av infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi.
De fann att koffein absorberas på Pt(111)- och Pt(110)-ytor med dess molekylära plan vinkelrätt mot ytan. På Pt(100) gör dock steriska hinder att den fästs med sitt molekylära plan lutat i förhållande till elektrodens yta.
"Den ökade ORR-aktiviteten för Pt(111) och Pt(110) tillskrevs den minskade PtOH-täckningen och lägre steriska hindret för det adsorberade koffeinet. Omvänt, för Pt(100), motverkades effekten av att minska PtOH av det steriska hindret. av det adsorberade koffeinet, och därmed påverkade inte koffein ORR-aktiviteten", förklarar Prof. Hoshi.
Till skillnad från batterier med begränsad livslängd kan bränsleceller generera ström så länge som bränsle tillförs, vilket gör dem lämpliga för olika applikationer, inklusive fordon, byggnader och rymduppdrag. Den föreslagna metoden har potential att förbättra designen av bränsleceller och leda till att de används i stor utsträckning.
Mer information: Nagahiro Hoshi et al, Förbättrad syrereduktionsreaktion på koffeinmodifierade platina enkristallelektroder, Communications Chemistry (2024). DOI:10.1038/s42004-024-01113-6
Journalinformation: Kommunikationskemi
Tillhandahålls av Chiba University
