Wetenschap
Brandstofcellen opladen met cafeïne
Nu de mondiale doelstellingen gericht zijn op het afbouwen van fossiele brandstoffen, onderscheiden brandstofcellen zich als een veelbelovende koolstofvrije energiebron. Brandstofcellen bestaan uit een anode en een kathode gescheiden door een elektrolyt en zetten de chemische energie van brandstof rechtstreeks om in elektriciteit. De anode ontvangt de brandstof, terwijl een oxidatiemiddel, meestal zuurstof uit de lucht, bij de kathode wordt geïntroduceerd.
In een waterstofbrandstofcel ondergaat waterstof oxidatie aan de anode, waarbij waterstofionen en elektronen worden geproduceerd. De ionen bewegen door de elektrolyt naar de kathode en elektronen stromen door een extern circuit en genereren elektriciteit. Bij de kathode combineert zuurstof met de waterstofionen en elektronen, waardoor water het enige bijproduct is.
De aanwezigheid van water heeft echter invloed op de prestaties van de brandstofcel. Het reageert met de platina (Pt)-katalysator en vormt een laag platinahydroxide (PtOH) op de elektrode, die de efficiënte katalyse van de zuurstofreductiereactie (ORR) belemmert, wat leidt tot energieverliezen. Om een efficiënte werking te behouden, hebben brandstofcellen een hoge Pt-belasting nodig, wat de kosten van brandstofcellen aanzienlijk verhoogt.
Dat blijkt uit een studie gepubliceerd in het tijdschrift Communications Chemistry Op 3 februari 2024 hebben professor Nagahiro Hoshi, samen met Masashi Nakamura, Ryuta Kubo en Rui Suzuki, allen van de Graduate School of Engineering van de Chiba Universiteit, Japan, ontdekt dat het toevoegen van cafeïne aan bepaalde platina-elektroden de activiteit van de elektroden kan verhogen. ORR. Deze ontdekking heeft het potentieel om de platinabehoefte te verminderen, waardoor brandstofcellen betaalbaarder en efficiënter worden.
"Cafeïne, een van de chemicaliën in koffie, verhoogt de activiteit van een brandstofcelreactie elfvoudig op een goed gedefinieerde Pt-elektrode waarvan de atomaire opstelling een hexagonale structuur heeft", zegt prof. Hoshi.
Om de impact van cafeïne op de ORR te beoordelen, maten onderzoekers de stroom door platina-elektroden die waren ondergedompeld in een elektrolyt dat cafeïne bevatte. Deze platina-elektroden hadden oppervlakteatomen die in specifieke richtingen waren gerangschikt, namelijk (111), (110) en (100).
Er was een opmerkelijke verbetering in de ORR-activiteit van de elektrode met een toename van de cafeïneconcentratie in de elektrolyt. Cafeïne, indien aanwezig, adsorbeert op het oppervlak van de elektrode, waardoor waterstofadsorptie en de vorming van Pt-oxide op de elektrode effectief worden voorkomen. Het effect van de cafeïne hing echter af van de oriëntatie van de platina-atomen op het oppervlak van de elektrode.
Bij een molaire cafeïneconcentratie van 1 × 10 −6 nam de ORR-activiteit op Pt(111) en Pt(110) respectievelijk 11 en 2,5 keer toe, zonder merkbaar effect op Pt(100). Om dit verschil te begrijpen, onderzochten de onderzoekers de moleculaire oriëntatie van cafeïne op het elektrodeoppervlak met behulp van infraroodreflectie-absorptiespectroscopie.
Ze ontdekten dat cafeïne wordt geabsorbeerd op Pt(111)- en Pt(110)-oppervlakken met het moleculaire vlak loodrecht op het oppervlak. Op Pt(100) zorgen sterische hindernissen er echter voor dat deze wordt bevestigd met het moleculaire vlak gekanteld ten opzichte van het oppervlak van de elektrode.
"De verhoogde ORR-activiteit van Pt(111) en Pt(110) werd toegeschreven aan de verminderde PtOH-dekking en de lagere sterische hindering van de geadsorbeerde cafeïne. Omgekeerd werd voor Pt(100) het effect van afnemende PtOH tenietgedaan door de sterische hindering van de geadsorbeerde cafeïne, en dus had cafeïne geen invloed op de ORR-activiteit", legt prof. Hoshi uit.
In tegenstelling tot batterijen met een beperkte levensduur kunnen brandstofcellen stroom opwekken zolang er brandstof wordt geleverd, waardoor ze geschikt zijn voor verschillende toepassingen, waaronder voertuigen, gebouwen en ruimtemissies. De voorgestelde methode heeft het potentieel om de ontwerpen van brandstofcellen te verbeteren en tot een wijdverbreid gebruik ervan te leiden.