Ogniwa paliwowe, choć obiecujące, są drogie ze względu na wysokie wymagania dotyczące katalizatorów w celu zwiększenia aktywności reakcji redukcji tlenu (ORR), ale naukowcy z Uniwersytetu Chiba w Japonii odkryli, jak to zmienić. Wystarczy dodać do układu kofeiny, a wydajność reakcji ORR wzrośnie, choć jest tu pewien haczyk.
Kofeina poprawi wydajność ogniw paliwowych – ale nie wszystkich
Ogniwa paliwowe, czyli ogniwa generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego z zewnątrz paliwa, wydają się być idealnym rozwiązaniem kryzysu klimatycznego. Ich budowa jest stosunkowo prosta (anoda i katoda rozdzielona elektrolitem) i choć pozwala na bezpośrednią zamianę energii chemicznej w elektryczną, nie wiąże się z żadną emisją dwutlenku węgla. Paliwo podawane jest na anodę, a utleniacz (zwykle tlen z powietrza) dostaje się do katody.
Czytaj też: Rekord świata dzieje się na naszych oczach. Na takie ogniwa perowskitowe czekamy od lat
W wodorowym ogniwie paliwowym wodór ulega utlenianiu na anodzie, w wyniku czego powstają jony wodoru i elektrony. Jony przemieszczają się przez elektrolit do katody, a elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny, wytwarzając energię elektryczną. Na katodzie tlen łączy się z jonami wodoru i elektronami, w wyniku czego jedynym produktem ubocznym jest woda. Ale woda reaguje z katalizatorem platynowym (Pt), tworząc na elektrodzie warstwę wodorotlenku platyny (PtOH), która utrudnia skuteczną katalizę reakcji ORR. Prowadzi to do strat energii i zmniejszeniu wydajności ogniwa paliwowego. Można temu przeciwdziałać, ale znacznie zwiększa to koszty omawianych ogniw.
Prof. Nagahiro Hoshi z Graduate School of Engineering na Uniwersytecie Chiba w Japonii odkrył, że dodanie kofeiny do niektórych elektrod platynowych może zwiększyć aktywność reakcji redukcji, nawet 11-krotnie! Odkrycie opisane w czasopiśmie Communications Chemistry może potencjalnie zmniejszyć zapotrzebowanie na platynę, dzięki czemu ogniwa paliwowe będą tańsze i wydajniejsze.
Aby ocenić wydajność reakcji, badacze zmierzyli przepływ prądu przez elektrody platynowe zanurzone w elektrolicie zawierającym kofeinę. Te elektrody platynowe miały atomy powierzchniowe ułożone w określonych kierunkach, mianowicie (111), (110) i (100). Wraz ze wzrostem stężenia kofeiny w elektrolicie nastąpiła wyraźna poprawa aktywności ORR elektrody. Kofeina, jeśli jest obecna, adsorbuje się na powierzchni elektrody, skutecznie zapobiegając adsorpcji wodoru i tworzeniu się tlenku platyny na elektrodzie. Ale nie dzieje się tak w każdym przypadku i zależy od orientacji atomów platyny na powierzchni elektrody.
Przy stężeniu molowym kofeiny 1×10−6 aktywność ORR na Pt(111) i Pt(110) wzrosła odpowiednio 11 i 2,5 razy, bez zauważalnego wpływu na Pt(100). Aby zrozumieć tę różnicę, naukowcy zbadali orientację molekularną kofeiny na powierzchni elektrody za pomocą spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni. Ustalili, że kofeina wchłania się na powierzchniach Pt(111) i Pt(110), których płaszczyzna molekularna jest prostopadła do tej powierzchni. Jednakże w przypadku Pt(100) przeszkody przestrzenne powodują, że nie ma takiej możliwości, a więc i korzystny wpływ kofeiny nie występuje.
Czytaj też: Wielki postęp w rozwoju fotowoltaiki. Te ogniwa mają wyjątkowo niewielką grubość
W przeciwieństwie do akumulatorów o ograniczonej żywotności, ogniwa paliwowe mogą generować energię, dopóki dostarczane jest paliwo, dzięki czemu nadają się do różnych zastosowań, m.in. pojazdów, budynków i misji kosmicznych. Proponowana metoda może ulepszyć konstrukcje ogniw paliwowych i doprowadzić do ich rozpowszechnienia.
