千葉大學的研究人員發現，在燃料電池的鉑電極中加入咖啡因，可以透過增強氧還原反應顯著提高燃料電池的效率。這項突破有可能降低對鉑的需求，從而使燃料電池更具成本效益和效率。作為全球向永續能源轉變的一部分，這項進步對於燃料電池在運輸和發電等各種應用領域的廣泛採用至關重要。

在全球努力摒棄化石燃料的過程中，燃料電池成為一種無碳排放的顯著能源。這些電池由陽極和陰極組成，並由電解質隔開，直接將燃料的化學能轉化為電能。燃料被送入陽極，氧化劑（通常是空氣中的氧氣）被送入陰極。

在氫燃料電池中，氫在陽極發生氧化，產生氫離子和電子。離子經由電解質移動到陰極，電子則流經外部電路，產生電能。在陰極，氧氣與氫離子和電子結合，產生水作為唯一的副產品。

然而，水的存在會影響燃料電池的性能。它與鉑（Pt）催化劑反應，在電極上形成一層氫氧化鉑（PtOH），阻礙了氧還原反應（ORR）的有效催化，導致能量損失。為了保持高效運行，燃料電池需要較高的鉑負載，這大大增加了燃料電池的成本。但新的研究發現，咖啡因透過提高氧還原反應的活性可以改善燃料電池的性能。

咖啡因在定義明確的鉑單晶電極上的吸附結構，以及咖啡因改質前（藍色條）和改性後（橙色條）燃料電池空氣電極的活性。資料來源：千葉大學教授Nagahiro Hoshi

在最近發表於《通訊化學》（Communications Chemistry）雜誌上的一項研究中，Nagahiro Hoshi 教授與日本千葉大學工程研究生院的Masashi Nakamura、Ryuta Kubo 和Rui Suzuki 發現，在某些鉑電極中添加咖啡因可以提高ORR 的活性。這項發現有可能減少對鉑的需求，使燃料電池更經濟、更有效率。

Hoshi 教授說：”咖啡因是咖啡中含有的化學物質之一，在原子排列呈六角形結構的定義明確的鉑電極上，它能將燃料電池反應的活性提高11 倍。”

咖啡因對鉑電極的影響

為了評估咖啡因對ORR 的影響，研究人員測量了透過浸泡在含有咖啡因的電解質中的鉑電極的電流。這些鉑電極的表面原子依特定方向排列，即(111)、(110) 和(100)。隨著電解液中咖啡因濃度的增加，電極的ORR 活性明顯提高。咖啡因存在時會吸附在電極表面，有效阻止氫吸附和氧化鉑在電極上的形成。然而，咖啡因的作用取決於電極表面鉑原子的取向。

當咖啡因摩爾濃度為1 × 10-6 時，Pt(111) 和Pt(110) 上的ORR 活性分別增加了11 倍和2.5 倍，而對Pt(100) 沒有明顯影響。為了理解這種差異，研究人員使用紅外線反射吸收光譜法研究了咖啡因在電極表面的分子取向。他們發現，咖啡因在鉑(111)和鉑(110)表面被吸收時，其分子平面垂直於表面。然而，在鉑(100)表面，立體阻礙導致咖啡因的分子平面相對於電極表面傾斜。

“Pt(111)和Pt(110)的ORR活性提高是由於PtOH覆蓋率降低和吸附的咖啡因的立體阻礙降低。相反，對於Pt(100)，PtOH 減少的效果被吸附的咖啡因的立體阻礙抵消，因此咖啡因不會影響ORR 活性，”Hoshi 教授解釋。

與壽命有限的電池不同，燃料電池只要提供燃料就能發電，因此適用於各種應用，包括車輛、建築物和太空任務。所提出的方法有望改進燃料電池的設計，並使其廣泛應用。

編譯自/ scitechdaily