Superladede brændselsceller med koffein

Med globale mål sat om at omstille sig væk fra fossile brændstoffer, skiller brændselsceller sig ud som en lovende kulstoffri energikilde. Bestående af en anode og en katode adskilt af en elektrolyt, omdanner brændselsceller den kemiske energi af brændstof direkte til elektricitet. Anoden modtager brændstoffet, mens et oxidationsmiddel, typisk ilt fra luften, indføres ved katoden.

I en brintbrændselscelle gennemgår brint oxidation ved anoden og producerer brintioner og elektroner. Ionerne bevæger sig gennem elektrolytten til katoden, og elektroner strømmer gennem et eksternt kredsløb og genererer elektricitet. Ved katoden forenes oxygen med hydrogenioner og elektroner, hvilket resulterer i vand som det eneste biprodukt.

Tilstedeværelsen af ​​vand påvirker imidlertid brændselscellens ydeevne. Det reagerer med platin (Pt) katalysatoren, og danner et lag af platinhydroxid (PtOH) på elektroden, som hindrer den effektive katalyse af oxygenreduktionsreaktionen (ORR), hvilket fører til energitab. For at opretholde en effektiv drift kræver brændselsceller en høj Pt-belastning, hvilket markant øger omkostningerne ved brændselsceller.

Nu i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Communications Chemistry den 3. februar 2024 har professor Nagahiro Hoshi sammen med Masashi Nakamura, Ryuta Kubo og Rui Suzuki, alle fra Graduate School of Engineering ved Chiba University, Japan, fundet ud af, at tilsætning af koffein til visse platinelektroder kan øge aktiviteten af ORR. Denne opdagelse har potentialet til at reducere platinkravene, hvilket gør brændselsceller mere overkommelige og effektive.

"Koffein, et af kemikalierne i kaffe, øger aktiviteten af ​​en brændselscellereaktion 11 gange på en veldefineret Pt-elektrode, hvis atomarrangement har en sekskantet struktur," siger prof. Hoshi.

For at vurdere koffeinens indvirkning på ORR målte forskere strømstrømmen gennem platinelektroder nedsænket i en elektrolyt indeholdende koffein. Disse platinelektroder havde overfladeatomer arrangeret i specifikke retninger, nemlig (111), (110) og (100).

Der var en bemærkelsesværdig forbedring i elektrodens ORR-aktivitet med en stigning i koffeinkoncentrationen i elektrolytten. Koffein, når det er til stede, adsorberes på elektrodens overflade, hvilket effektivt forhindrer hydrogenadsorption og dannelsen af ​​Pt-oxid på elektroden. Effekten af ​​koffein afhang dog af orienteringen af ​​platinatomerne på elektrodens overflade.

Ved en koffeinmolær koncentration på 1 × 10 ⁻⁶ , steg ORR-aktiviteten på Pt(111) og Pt(110) med henholdsvis 11 og 2,5 gange uden nogen mærkbar effekt på Pt(100). For at forstå denne forskel undersøgte forskerne den molekylære orientering af koffein på elektrodeoverfladen ved hjælp af infrarød refleksionsabsorptionsspektroskopi.

De fandt ud af, at koffein bliver absorberet på Pt(111) og Pt(110) overflader med dets molekylære plan vinkelret på overfladen. På Pt(100) forårsager steriske hindringer imidlertid, at den bliver fastgjort med sit molekylære plan skråtstillet i forhold til overfladen af ​​elektroden.

"Den øgede ORR-aktivitet af Pt(111) og Pt(110) blev tilskrevet den reducerede PtOH-dækning og lavere steriske hindring af den adsorberede koffein. Omvendt, for Pt(100), blev effekten af ​​faldende PtOH modvirket af den steriske hindring. af den adsorberede koffein, og dermed påvirkede koffein ikke ORR-aktiviteten," forklarer prof. Hoshi.

I modsætning til batterier med begrænset levetid, kan brændselsceller generere strøm, så længe der er brændstof tilført, hvilket gør dem velegnede til forskellige applikationer, herunder køretøjer, bygninger og rummissioner. Den foreslåede metode har potentiale til at forbedre design af brændselsceller og føre til deres udbredte anvendelse.

Flere oplysninger: Nagahiro Hoshi et al., Forbedret iltreduktionsreaktion på koffeinmodificerede platin-enkrystalelektroder, Communications Chemistry (2024). DOI:10.1038/s42004-024-01113-6

Journaloplysninger: Kommunikationskemi

Leveret af Chiba University