Исследователи из Университета Тиба обнаружили, что добавление кофеина к платиновым электродам топливных элементов может значительно повысить их эффективность за счет усиления реакции восстановления кислорода. Этот прорыв потенциально может снизить потребность в платине, тем самым сделав топливные элементы более экономичными и эффективными. Это достижение имеет решающее значение для более широкого внедрения топливных элементов в различных приложениях, включая транспорт и производство электроэнергии, в рамках глобального перехода к устойчивым источникам энергии.
Кофеин улучшает производительность топливных элементов, повышая активность реакции восстановления кислорода.
На фоне всемирных усилий по отказу от ископаемого топлива топливные элементы становятся заметным источником энергии без выбросов углекислого газа. Эти элементы состоят из анода и катода, разделенных электролитом, и они напрямую преобразуют химическую энергию топлива в электрическую энергию. Топливо подается на анод, а на катод – окислитель, обычно кислород воздуха.
В водородном топливном элементе водород подвергается окислению на аноде, образуя ионы водорода и электроны. Ионы движутся через электролит к катоду, а электроны проходят через внешнюю цепь, генерируя электричество. На катоде кислород соединяется с ионами и электронами водорода, в результате чего единственным побочным продуктом является вода.
Однако наличие воды влияет на производительность топливного элемента. Он вступает в реакцию с платиновым (Pt) катализатором, образуя на электроде слой гидроксида платины (PtOH), который препятствует эффективному катализу реакции восстановления кислорода (ORR), что приводит к потерям энергии. Для поддержания эффективной работы топливные элементы требуют высокой загрузки Pt, что значительно увеличивает стоимость топливных элементов.
Адсорбированная структура кофеина на четко выраженных монокристаллических электродах Pt и активность воздушного электрода топливного элемента до (синяя полоса) и после (оранжевая полоса) модификации кофеина. Фото: профессор Нагахиро Хоши из Университета Тиба.
Прорыв в эффективности катализатора топливных элементов
Теперь в исследовании, недавно опубликованном в журнале Химия связиПрофессор Нагахиро Хоши вместе с Масаси Накамурой, Рютой Кубо и Руи Судзуки из Высшей инженерной школы Университета Тиба, Япония, обнаружили, что добавление кофеина к некоторым платиновым электродам может увеличить активность ORR. Это открытие может снизить потребность в платине, сделав топливные элементы более доступными и эффективными.
«Кофеин, одно из химических веществ, содержащихся в кофе, в 11 раз усиливает активность реакции топливного элемента на четко определенном платиновом электроде, расположение атомов которого имеет гексагональную структуру», — говорит профессор Хоши.
Влияние кофеина на платиновые электроды
Чтобы оценить влияние кофеина на ORR, исследователи измерили ток через платиновые электроды, погруженные в электролит, содержащий кофеин. Эти платиновые электроды имели поверхностные атомы, расположенные в определенных направлениях, а именно (111), (110) и (100). Наблюдалось заметное улучшение активности ORR электрода с увеличением концентрации кофеина в электролите. Кофеин, если он присутствует, адсорбируется на поверхности электрода, эффективно предотвращая адсорбцию водорода и образование оксида Pt на электроде. Однако эффект кофеина зависел от ориентации атомов платины на поверхности электрода.
При молярной концентрации кофеина 1 × 10−6, активность ORR на Pt(111) и Pt(110) увеличилась в 11 и 2,5 раза соответственно, без заметного влияния на Pt(100). Чтобы понять эту разницу, исследователи исследовали молекулярную ориентацию кофеина на поверхности электрода с помощью абсорбционной спектроскопии инфракрасного отражения. Они обнаружили, что кофеин впитывается на поверхностях Pt(111) и Pt(110), причем его молекулярная плоскость перпендикулярна поверхности. Однако на Pt(100) стерические препятствия приводят к тому, что его молекулярная плоскость оказывается наклоненной относительно поверхности электрода.
«Повышенная активность ORR Pt(111) и Pt(110) была объяснена уменьшением покрытия PtOH и меньшими стерическими затруднениями адсорбированного кофеина. И наоборот, для Pt(100) эффекту снижения PtOH противодействовали стерические препятствия адсорбированного кофеина, и, таким образом, кофеин не влиял на активность ORR», — объясняет профессор Хоши.
В отличие от батарей с ограниченным сроком службы, топливные элементы могут генерировать энергию, пока подается топливо, что делает их пригодными для различных применений, включая транспортные средства, здания и космические миссии. Предлагаемый метод потенциально может улучшить конструкции топливных элементов и привести к их широкому использованию.
Ссылка: «Реакция усиленного восстановления кислорода на монокристаллических платиновых электродах, модифицированных кофеином», Нагахиро Хоши, Масаси Накамура, Рюта Кубо и Руи Судзуки, 3 февраля 2024 г., Химия связи.
DOI: 10.1038/s42004-024-01113-6
Исследование финансировалось Организацией развития новой энергетики и промышленных технологий.