Angesichts der globalen Ziele zur Abkehr von fossilen Brennstoffen erweisen sich Brennstoffzellen als vielversprechende kohlenstofffreie Energiequelle. Brennstoffzellen bestehen aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Sie wandeln die chemische Energie des Brennstoffs direkt in Elektrizität um. Die Anode nimmt den Brennstoff auf, während an der Kathode ein Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff aus der Luft, zugeführt wird.
In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird Wasserstoff an der Anode oxidiert, wodurch Wasserstoffionen und Elektronen entstehen. Die Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode, und Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis und erzeugen so Strom. An der Kathode verbindet sich Sauerstoff mit den Wasserstoffionen und Elektronen, wodurch als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht.
Allerdings beeinträchtigt die Anwesenheit von Wasser die Leistung der Brennstoffzelle. Es reagiert mit dem Platinkatalysator (Pt) und bildet eine Schicht aus Platinhydroxid (PtOH) auf der Elektrode, die die effiziente Katalyse der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) behindert und zu Energieverlusten führt. Um einen effizienten Betrieb aufrechtzuerhalten, benötigen Brennstoffzellen eine hohe Pt-Beladung, was die Kosten von Brennstoffzellen deutlich erhöht.
Jetzt in eine Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikationschemie Am 3. Februar 2024 haben Professor Nagahiro Hoshi zusammen mit Masashi Nakamura, Ryuta Kubo und Rui Suzuki, alle von der Graduate School of Engineering der Chiba-Universität, Japan, herausgefunden, dass die Zugabe von Koffein zu bestimmten Platinelektroden die Aktivität erhöhen kann ORR. Diese Entdeckung hat das Potenzial, den Platinbedarf zu senken und Brennstoffzellen erschwinglicher und effizienter zu machen.
„Koffein, eine der im Kaffee enthaltenen Chemikalien, steigert die Aktivität einer Brennstoffzellenreaktion um das Elffache an einer wohldefinierten Pt-Elektrode, deren Atomanordnung eine hexagonale Struktur aufweist“, sagt Prof. Hoshi.
Um den Einfluss von Koffein auf die ORR zu beurteilen, maßen die Forscher den Stromfluss durch Platinelektroden, die in einen koffeinhaltigen Elektrolyten getaucht waren. Diese Platinelektroden hatten Oberflächenatome, die in bestimmten Richtungen angeordnet waren, nämlich (111), (110) und (100).
Es gab eine deutliche Verbesserung der ORR-Aktivität der Elektrode mit einem Anstieg der Koffeinkonzentration im Elektrolyten. Wenn Koffein vorhanden ist, adsorbiert es an der Elektrodenoberfläche und verhindert so wirksam die Wasserstoffadsorption und die Bildung von Pt-Oxid auf der Elektrode. Allerdings hing die Wirkung des Koffeins von der Ausrichtung der Platinatome auf der Elektrodenoberfläche ab.
Bei einer molaren Koffeinkonzentration von 1 × 10−6 erhöhte sich die ORR-Aktivität auf Pt(111) und Pt(110) um das 11- bzw. 2,5-fache, ohne spürbare Auswirkung auf Pt(100). Um diesen Unterschied zu verstehen, untersuchten die Forscher die molekulare Ausrichtung von Koffein auf der Elektrodenoberfläche mithilfe der Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie.
Sie fanden heraus, dass Koffein auf Pt(111)- und Pt(110)-Oberflächen absorbiert wird, wobei die Molekülebene senkrecht zur Oberfläche verläuft. Bei Pt(100) führen sterische Hinderungen jedoch dazu, dass die Molekülebene relativ zur Oberfläche der Elektrode geneigt ist.
„Die erhöhte ORR-Aktivität von Pt(111) und Pt(110) wurde auf die verringerte PtOH-Bedeckung und die geringere sterische Hinderung des adsorbierten Koffeins zurückgeführt. Umgekehrt wurde bei Pt(100) der Effekt der Verringerung von PtOH durch die sterische Hinderung aufgehoben.“ des adsorbierten Koffeins, und somit hatte Koffein keinen Einfluss auf die ORR-Aktivität“, erklärt Prof. Hoshi.
Im Gegensatz zu Batterien mit begrenzter Lebensdauer können Brennstoffzellen Strom erzeugen, solange Kraftstoff zugeführt wird, wodurch sie für verschiedene Anwendungen geeignet sind, darunter Fahrzeuge, Gebäude und Weltraummissionen. Die vorgeschlagene Methode hat das Potenzial, die Konstruktion von Brennstoffzellen zu verbessern und zu deren weitverbreiteter Anwendung zu führen.
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Nagahiro Hoshi et al., Verbesserte Sauerstoffreduktionsreaktion an koffeinmodifizierten Platin-Einkristallelektroden, Kommunikationschemie (2024). DOI: 10.1038/s42004-024-01113-6