千叶大学使用咖啡因来增强ORR反应 以提高燃料电池效率

盖世汽车讯 随着全球设定从化石燃料过渡的目标，燃料电池作为一种富有前景的无碳能源脱颖而出。燃料电池中包括由电解质分开的阳极和阴极，可以将燃料的化学能直接转化为电能。阳极接收燃料，而氧化剂（通常是空气中的氧气）被引入阴极。

（图片来源：nature.com）

在氢燃料电池中，氢气在阳极发生氧化，从而产生氢离子和电子。然后，离子通过电解质移动到阴极，而电子流过外部电路，从而产生电力。在阴极，氧气与氢离子和电子结合，生成唯一的副产品水。然而，水的存在会影响燃料电池的性能。水与铂催化剂发生反应，在电极上形成一层氢氧化铂（PtOH），这会阻碍氧还原反应（ORR）的有效催化，导致能量损失。为了保持高效运行，燃料电池需要高铂负载量，这大大增加了燃料电池的成本。

据外媒报道，日本千叶大学（Chiba University）工程研究生院的Nagahiro Hoshi教授等人发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以提升ORR活性。这一发现有望减少对铂的需求，使燃料电池的成本更低、效率更高。此项研究发表在期刊《通讯化学（Communications Chemistry）》上。

Hoshi教授表示：“咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，可以将具有六边形原子排列结构的已知铂电极上的燃料电池反应活性提高11倍。”

为了评估咖啡因对ORR的影响，研究人员测量了浸在含有咖啡因的电解质中的铂电极的电流。这些铂电极的表面原子按特定方向排列，分别如图（111）、（110）和（100）。随着电解质中的咖啡因浓度增加，电极的ORR活性有了明显改善。所存在的咖啡因会吸附在电极表面，可有效防止氢吸附和电极上形成氧化铂。然而，咖啡因能够发挥的作用取决于电极表面上铂原子的方向。

当咖啡因的摩尔浓度为1×10−6时，Pt（111）和Pt（110）的ORR活性分别提高了11倍和2.5倍，但对Pt（100）无明显影响。为了了解这些差异，研究人员使用红外反射吸收光谱法（nfrared Reflection Absorption Spectroscopy）来探讨电极表面上咖啡因的分子取向。

他们发现咖啡因被吸附在铂（111）和铂（110）表面，且其分子平面垂直于表面。然而，在铂（100）表面，空间位阻使其使其吸附时的分子平面相对于电极表面倾斜。Hoshi教授表示：“铂（111）和铂（110）的ORR活性增加，要归因于PtOH覆盖率降低和吸附咖啡因的空间位阻降低。与之相反，对于铂（100）而言，减少PtOH所产生的效果，被吸附咖啡因的空间位阻所抵消，因此咖啡因不会影响ORR活性。”

与寿命有限的电池不同，燃料电池只要有燃料供应就可以发电，因此适合车辆、建筑物和太空任务等各种应用。此次提出的方法有望改善燃料电池设计，促进其广泛使用。