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千葉大學使用咖啡因來增強ORR反應 以提高燃料電池效率
時間:2024-03-22 13:07來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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隨著全球設定從化石燃料過渡的目標，燃料電池作為一種富有前景的無碳能源脫穎而出。燃料電池中包括由電解質分開的陽極和陰極，可以將燃料的化學能直接轉化為電能。陽極接收燃料，而氧化劑（通常是空氣中的氧氣）被引入陰極。
（圖片來源：nature.com）
在氫燃料電池中，氫氣在陽極發生氧化，從而產生氫離子和電子。然后，離子通過電解質移動到陰極，而電子流過外部電路，從而產生電力。在陰極，氧氣與氫離子和電子結合，生成唯一的副產品水。然而，水的存在會影響燃料電池的性能。水與鉑催化劑發生反應，在電極上形成一層氫氧化鉑（PtOH），這會阻礙氧還原反應（ORR）的有效催化，導致能量損失。為了保持高效運行，燃料電池需要高鉑負載量，這大大增加了燃料電池的成本。
據外媒報道，日本千葉大學（Chiba University）工程研究生院的Nagahiro Hoshi教授等人發現，在某些鉑電極中添加咖啡因可以提升ORR活性。這一發現有望減少對鉑的需求，使燃料電池的成本更低、效率更高。此項研究發表在期刊《通訊化學（Communications Chemistry）》上。
Hoshi教授表示：“咖啡因是咖啡中含有的化學物質之一，可以將具有六邊形原子排列結構的已知鉑電極上的燃料電池反應活性提高11倍。”
為了評估咖啡因對ORR的影響，研究人員測量了浸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按特定方向排列，分別如圖（111）、（110）和（100）。隨著電解質中的咖啡因濃度增加，電極的ORR活性有了明顯改善。所存在的咖啡因會吸附在電極表面，可有效防止氫吸附和電極上形成氧化鉑。然而，咖啡因能夠發揮的作用取決于電極表面上鉑原子的方向。
當咖啡因的摩爾濃度為1×10−6時，Pt（111）和Pt（110）的ORR活性分別提高了11倍和2.5倍，但對Pt（100）無明顯影響。為了了解這些差異，研究人員使用紅外反射吸收光譜法（nfrared Reflection Absorption Spectroscopy）來探討電極表面上咖啡因的分子取向。
他們發現咖啡因被吸附在鉑（111）和鉑（110）表面，且其分子平面垂直于表面。然而，在鉑（100）表面，空間位阻使其使其吸附時的分子平面相對于電極表面傾斜。Hoshi教授表示：“鉑（111）和鉑（110）的ORR活性增加，要歸因于PtOH覆蓋率降低和吸附咖啡因的空間位阻降低。與之相反，對于鉑（100）而言，減少PtOH所產生的效果，被吸附咖啡因的空間位阻所抵消，因此咖啡因不會影響ORR活性。”
與壽命有限的電池不同，燃料電池只要有燃料供應就可以發電，因此適合車輛、建筑物和太空任務等各種應用。此次提出的方法有望改善燃料電池設計，促進其廣泛使用。
(責任編輯：子蕊)
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