افزایش کارایی پیل‌های سوختی با استفاده از کافئین

بررسی محققان ژاپنی نشان می دهد کافئین با افزایش فعالیت واکنش کاهش اکسیژن، عملکرد پیل‌های سوختی را بهبود می‌بخشد.

به گزارش تکناک، در میان تلاش‌های جهانی برای دور شدن از سوخت‌های فسیلی، سلول‌های سوختی به عنوان یک منبع انرژی قابل توجه بدون انتشار کربن ظاهر می‌شوند. این سلول‌ها از یک آند و یک کاتد تشکیل شده‌اند که توسط یک الکترولیت تقسیم می‌شوند و مستقیماً انرژی شیمیایی سوخت را به نیروی الکتریکی تبدیل می‌کنند. سوخت به آند وارد می‌شود و یک عامل اکسید‌کننده که معمولاً اکسیژن هوا است، به کاتد می‌رسد.

در پیل سوختی هیدروژن، هیدروژن در آند تحت اکسیداسیون قرار می‌گیرد و یون هیدروژن و الکترون تولید می‌کند. یون‌ها از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کنند و الکترون‌ها از طریق یک مدار خارجی جریان می‌یابند و برق تولید می‌کنند. در کاتد، اکسیژن با یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها ترکیب می‌شود و در نتیجه آب تنها محصول جانبی است.

با این حال، وجود آب بر عملکرد پیل سوختی تأثیر می‌گذارد و با کاتالیزور پلاتین (Pt) واکنش می‌دهد و لایه‌ای از هیدروکسید پلاتین (PtOH) را روی الکترود تشکیل می‌دهد که مانع از کاتالیز کارآمد واکنش کاهش اکسیژن (ORR) می‌شود و منجر به تلفات انرژی می‌شود. برای حفظ عملکرد کارآمد، پیل‌های سوختی نیاز به بارگذاری پلاتین بالا دارند که این مسئله به‌طور قابل توجهی هزینه‌های پیل‌های سوختی را افزایش می‌دهد.

پیشرفت در کارایی کاتالیزور پیل سوختی

در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله Communications Chemistry  منتشر شده است، پروفسور ناگاهیرو هوشی به همراه ماساشی ناکامورا، ریوتا کوبو و روی سوزوکی که همگی از محققان دانشکده مهندسی دانشگاه چیبا ژاپن هستند، کشف کردند که افزودن کافئین به الکترودهای یک پلاتین خاص می‌تواند فعالیت ORR را افزایش دهد. این کشف پتانسیل کاهش نیاز به پلاتین را دارد و پیل‌های سوختی را مقرون به‌صرفه‌تر و کارآمدتر می‌کند.

پروفسور هوشی می‌گوید: کافئین که یکی از مواد شیمیایی موجود در قهوه است، فعالیت یک واکنش پیل سوختی را 11 برابر بر روی یک الکترود پلاتین کاملاً مشخص که آرایش اتمی آن ساختاری شش ضلعی دارد، افزایش می‌دهد.

تاثیر کافئین بر الکترودهای پلاتین

برای ارزیابی تاثیر کافئین بر  ORR، محققان جریان جریان را از طریق الکترودهای پلاتین غوطه‌ور در الکترولیت حاوی کافئین اندازه‌گیری کردند. این الکترودهای پلاتین دارای اتم‌های سطحی بودند که در جهت‌های خاصی چیده شده بودند، یعنی (111)، (110) و (100). با افزایش غلظت کافئین در الکترولیت، بهبود قابل‌توجهی در فعالیت ORR الکترود مشاهده شد. کافئین در صورت وجود، روی سطح الکترود جذب می‌شود و به‌طور موثری از جذب هیدروژن و تشکیل اکسید پلاتین روی الکترود جلوگیری می‌کند. با این حال، اثر کافئین به جهت‌گیری اتم‌های پلاتین روی سطح الکترود بستگی دارد.

در غلظت مولی کافئین 1 × 10-6، فعالیت ORR در پلاتین (111) و پلاتین (110) به ترتیب 11 و 2.5 برابر افزایش یافت، بدون اینکه تأثیر قابل توجهی بر Pt (100) وجود داشته باشد. برای درک این تفاوت، محققان جهت‌گیری مولکولی کافئین روی سطح الکترود را با استفاده از طیف سنجی جذبی بازتاب فروسرخ بررسی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که کافئین روی سطوح Pt(111) و Pt(110) با صفحه مولکولی آن عمود بر سطح جذب می‌شود. با این حال در Pt (100)، موانع فضایی باعث می‌شود که با صفحه مولکولی آن که نسبت به سطح الکترود کج شده است، کافئین متصل شود.

افزایش فعالیت ORR Pt (111) و Pt (110) به کاهش پوشش PtOH و مانع فضایی کمتر کافئین جذب شده نسبت داده شد. برعکس برای Pt(100)، اثر کاهش PtOH با مانع فضایی کافئین جذب شده خنثی شد و بنابراین کافئین بر فعالیت ORR تأثیری نداشت.

برخلاف باتری‌های با طول عمر محدود، پیل‌های سوختی می‌توانند تا زمانی که سوخت تامین می‌شود، نیرو تولید کنند و برای کاربردهای مختلف از جمله وسایل نقلیه، ساختمان‌ها و مأموریت‌های فضایی مناسب باشند. روش پیشنهادی، پتانسیل بهبود طرح های پیل‌های سوختی و منجر به استفاده گسترده از آنها را دارد.