חוקרים מאוניברסיטת צ'יבה גילו שהוספת קפאין לאלקטרודות הפלטינה של תאי הדלק יכולה לשפר משמעותית את יעילותם על ידי שיפור תגובת הפחתת החמצן. לפריצת דרך זו יש פוטנציאל להפחית את דרישות הפלטינה, ובכך להפוך את תאי הדלק לחסכוניים ויעילים יותר. התקדמות זו חיונית לאימוץ רחב יותר של תאי דלק ביישומים שונים, כולל תחבורה וייצור חשמל, כחלק מהמעבר הגלובלי לעבר מקורות אנרגיה ברי קיימא.
קפאין משפר את ביצועי תאי הדלק על ידי הגברת הפעילות של תגובת הפחתת החמצן.
בתוך המאמצים העולמיים להתרחק מדלקים מאובנים, תאי דלק מופיעים כמקור בולט לאנרגיה ללא פליטת פחמן. תאים אלה מורכבים מאנודה וקתודה, מחולקים על ידי אלקטרוליט, והם הופכים ישירות את האנרגיה הכימית של הדלק לכוח חשמלי. הדלק מוזן לאנודה, וחומר מחמצן, בדרך כלל חמצן מהאוויר, מסופק לקתודה.
בתא דלק מימן, מימן עובר חמצון באנודה, ומייצר יוני מימן ואלקטרונים. היונים עוברים דרך האלקטרוליט אל הקתודה, והאלקטרונים זורמים דרך מעגל חיצוני ומייצרים חשמל. בקתודה, חמצן מתחבר עם יוני המימן והאלקטרונים, וכתוצאה מכך מים הם תוצר הלוואי היחיד.
עם זאת, נוכחות המים משפיעה על הביצועים של תא הדלק. הוא מגיב עם זרז הפלטינה (Pt), ויוצר שכבה של פלטינה הידרוקסיד (PtOH) על האלקטרודה, מה שחוסם את הזרז היעילה של תגובת הפחתת החמצן (ORR), מה שמוביל לאובדן אנרגיה. כדי לשמור על פעולה יעילה, תאי דלק דורשים העמסת Pt גבוהה, מה שמגדיל משמעותית את עלויות תאי הדלק.
מבנה ספוג של קפאין על גבי אלקטרודות Pt חד-גביש מוגדרות היטב ופעילות אלקטרודת האוויר של תא הדלק לפני (פס כחול) ואחרי (פס כתום) שינוי קפאין. קרדיט: פרופסור Nagahiro Hoshi מאוניברסיטת צ'יבה
פריצת דרך ביעילות זרז תאי דלק
כעת, במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת כימיה של תקשורת, פרופסור Nagahiro Hoshi, יחד עם Masashi Nakamura, Ryuta Kubo ו- Rui Suzuki, כולם מבית הספר לתואר שני להנדסה באוניברסיטת צ'יבה, יפן, גילו שהוספת קפאין לאלקטרודות פלטינה מסוימות יכולה להגביר את פעילות ה-ORR. לגילוי זה יש פוטנציאל להפחית את דרישות הפלטינה, מה שהופך את תאי הדלק לזולים ויעילים יותר.
"קפאין, אחד הכימיקלים הכלולים בקפה, מגביר פי 11 את פעילות תגובת תאי הדלק על אלקטרודת Pt מוגדרת היטב שלסדרה האטומית שלה יש מבנה משושה", אומר פרופ' הושי.
השפעת הקפאין על אלקטרודות פלטינה
כדי להעריך את השפעת הקפאין על ה-ORR, החוקרים מדדו את זרימת הזרם דרך אלקטרודות פלטינה טבולות באלקטרוליט המכיל קפאין. לאלקטרודות פלטינה אלו היו אטומי שטח מסודרים בכיוונים ספציפיים, כלומר (111), (110) ו-(100). חל שיפור ניכר בפעילות ה-ORR של האלקטרודה עם עלייה בריכוז הקפאין באלקטרוליט. קפאין, כאשר קיים, נספג על פני האלקטרודה, ובכך מונע למעשה ספיחת מימן והיווצרות תחמוצת Pt על האלקטרודה. עם זאת, השפעת הקפאין הייתה תלויה בכיוון אטומי הפלטינה על פני האלקטרודה.
בריכוז קפאין מולרי של 1×10−6, פעילות ה-ORR על Pt(111) ו-Pt(110) עלתה פי 11 ו-2.5, בהתאמה, ללא השפעה ניכרת על Pt(100). כדי להבין את ההבדל הזה, החוקרים חקרו את הכיוון המולקולרי של קפאין על פני האלקטרודה באמצעות ספקטרוסקופיה של ספיגה של השתקפות אינפרא אדום. הם גילו שקפאין נספג על משטחי Pt(111) ו-Pt(110) כשהמישור המולקולרי שלו מאונך לפני השטח. עם זאת, ב-Pt(100), מכשולים סטריים גורמים לו להיות מחובר כשהמישור המולקולרי שלו מוטה ביחס לפני השטח של האלקטרודה.
"הפעילות המוגברת של ה-ORR של Pt(111) ו-Pt(110) יוחסה לירידה בכיסוי PtOH והפרעה סטרית נמוכה יותר של הקפאין הנספג. לעומת זאת, עבור Pt(100), ההשפעה של הפחתת PtOH נוגדה את ההפרעה הסטרית של הקפאין הנספג, ולכן הקפאין לא השפיע על פעילות ה-ORR", מסביר פרופ' הושי.
בניגוד לסוללות בעלות תוחלת חיים מוגבלת, תאי דלק יכולים לייצר חשמל כל עוד דלק מסופק, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים שונים, כולל כלי רכב, מבנים ומשימות חלל. לשיטה המוצעת יש פוטנציאל לשפר את העיצובים של תאי דלק ולהוביל לשימוש נרחב בהם.
המחקר מומן על ידי הארגון לפיתוח אנרגיה וטכנולוגיה תעשייתית חדשה.
