千葉大學(xué)使用咖啡因來增強ORR反應(yīng) 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(shè)定從化石燃料過渡的目標(biāo)，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(xué)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(yīng)，在電極上形成一層氫氧化鉑（PtOH），這會阻礙氧還原反應(yīng)（ORR）的有效催化，導(dǎo)致能量損失。為了保持高效運行，燃料電池需要高鉑負(fù)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(xué)（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(xué)（Communications Chemistry）》上。
 
Hoshi教授表示：“咖啡因是咖啡中含有的化學(xué)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(yīng)活性提高11倍。”
 
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(dāng)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。”
 
與壽命有限的電池不同，燃料電池只要有燃料供應(yīng)就可以發(fā)電，因此適合車輛、建筑物和太空任務(wù)等各種應(yīng)用。此次提出的方法有望改善燃料電池設(shè)計，促進其廣泛使用。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 燃料電池 千葉大學(xué)
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