蓋世汽車訊 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(zhì)分開的陽極和陰極，可以將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)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(fā)生氧化，從而產(chǎn)生氫離子和電子。然后，離子通過電解質(zhì)移動到陰極，而電子流過外部電路，從而產(chǎn)生電力。在陰極，氧氣與氫離子和電子結(jié)合，生成唯一的副產(chǎn)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(fā)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(jù)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(fā)現(xiàn)，在某些鉑電極中添加咖啡因可以提升ORR活性。這一發(fā)現(xiàn)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(fā)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(zhì)之一，可以將具有六邊形原子排列結(jié)構(gòu)的已知鉑電極上的燃料電池反應活性提高11倍?！?/p>

為了評估咖啡因?qū)RR的影響，研究人員測量了浸在含有咖啡因的電解質(zhì)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(zhì)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)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?！?/p>

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(fā)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。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >