用咖啡因为燃料电池增压

随着全球目标转向摆脱化石燃料，燃料电池作为一种有前途的无碳能源脱颖而出。燃料电池包括由电解质分隔的阳极和阴极，将燃料的化学能直接转化为电能。阳极接收燃料，而氧化剂(通常是空气中的氧气)被引入阴极。

在氢燃料电池中，氢气在阳极发生氧化，产生氢离子和电子。离子通过电解质移动到阴极，电子流过外部电路，产生电力。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，燃料电池需要高铂负载量，这显着增加了燃料电池的成本。

现在，在2024 年 2 月 3 日发表在《通讯化学》杂志上的一项研究中，日本千叶大学工程研究生院的 Nagahiro Hoshi 教授以及 Masashi Nakamura、Ryuta Kubo 和 Rui Suzuki 发现，添加某些铂电极中的咖啡因可以增加 ORR 的活性。这一发现有可能减少铂的需求，使燃料电池更加经济实惠和高效。

“咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，它可以将原子排列具有六边形结构的明确铂电极上的燃料电池反应活性提高 11 倍，”Hoshi 教授说道。

为了评估咖啡因对 ORR 的影响，研究人员测量了浸入含咖啡因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 活性显着提高。咖啡因存在时会吸附在电极表面，有效防止氢吸附和电极上 Pt 氧化物的形成。然而，咖啡因的效果取决于电极表面上铂原子的取向。

当咖啡因摩尔浓度为1 × 10 -6时，Pt(111) 和Pt(110) 的ORR 活性分别增加11 倍和2.5 倍，而对Pt(100) 没有明显影响。为了了解这种差异，研究人员使用红外反射吸收光谱研究了电极表面上咖啡因的分子取向。

他们发现咖啡因被 Pt(111) 和 Pt(110) 表面吸收，其分子平面垂直于表面。然而，在 Pt(100) 上，空间位阻导致其分子平面相对于电极表面倾斜。

“Pt(111) 和 Pt(110) 的 ORR 活性增加归因于 PtOH 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 PtOH 的效果被空间位阻所抵消吸附的咖啡因，因此咖啡因不会影响 ORR 活性，”Hoshi 教授解释道。

与寿命有限的电池不同，燃料电池只要提供燃料就可以发电，因此适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有可能改进燃料电池的设计并导致其广泛使用。