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2024-04-02 10:44:05
水素燃料電池をカフェインで修飾すると、燃料電池が劣化から保護され、その結果、活性が最大 11 倍増加しました。
燃料電池は有望です クリーンエネルギー ソリューション、燃料の変換 水素 唯一の副産物として水が発生し、電気に直接変換されます。 しかし、現在の発電方法と比較すると、燃料電池は非効率で高価です。
この治療法は、まさに人間がパフォーマンスの向上が必要なときに使用するものかもしれません。 日本の千葉大学の研究者らは、電極を水素でコーティングすることを発見しました。 燃料電池 と カフェイン デバイスに電力を供給する化学反応中に通常発生する劣化からデバイスを保護し、寿命と効率を向上させます。
クリーンなエネルギー、汚れた陰極
燃料電池は、それぞれカソードとアノードと呼ばれる正極と負極を備えているという点で電池に似ています。 バッテリーと同様に、イオンと電子はこれらの充電された端の間を移動します。 ただし、燃料電池は電気を貯めたり放出したりするのではなく、電気を生成します。
これを達成するには、 水素などの燃料 アノードに供給されます。 ここで水素イオンと電子に分かれます。 正に帯電したイオンは電解質と呼ばれる水溶液中を陰極に向かって移動し、電子は回路を通って方向付けられ、電気を生成します。 イオンと電子が陰極で再び出会うと、電子を受け取る酸化分子である酸素がそれらと反応して水を生成するのを待っています。 陰極は非効率が蓄積する場所でもあります。
副生成物が水だけであることは環境的には確かに歓迎すべき結果ですが、水は酸素反応を触媒する白金電極に悪影響を及ぼします。 水と白金が反応すると、電極表面に水酸化白金の層が生成され、酸化反応と燃料電池全体の効率が低下します。
カフェインによりパフォーマンスが向上
この望ましくない反応に対処するにはコストがかかることが判明し、水素燃料電池が電力市場で競争できなくなります。 電極を保護するために、日本のチームは、疎水性または水をはじく特性も持つよく知られた分子であるカフェインに注目しました。
実験結果 カフェインで修飾された白金電極は、カソードでの酸素還元反応の活性を高めることができることを発見しました。
「コーヒーに含まれる化学物質の1つであるカフェインは、原子配列が六方晶構造をしている明確に定義された白金電極上で燃料電池反応の活性を11倍高めます」と筆頭著者の星長博氏はプレスリリースで説明した。 重要なのは、カフェインがどの程度効果を発揮するかを決めるのは白金原子の構造です。
プラチナの表面上の原子はさまざまな方向に配置できます。 ホシ氏は、Pt(111)、Pt(110)、および Pt(100) と呼ばれる 3 つの原子配列を持つ 3 種類のプラチナをテストしました。 カフェインは白金を保護し、Pt(111) および Pt(110) の反応を改善しましたが、Pt(100) の反応は改善しませんでした。
Pt(111) および Pt(110) では、白金原子の配置により、カフェイン分子が電極表面に垂直に吸収されることが可能になりました。 この構成により、反応活性がそれぞれ 11 倍と 2.5 倍増加しました。 同グループがカフェインとPt(100)表面の原子との相互作用を視覚化したところ、カフェインが垂直ではなく傾いて付着し、反応活性の潜在的な増加を打ち消していることが分かった。
科学者らによると、これは、Pt(100)内の白金原子の配置によって生じる立体障害（形状や反応性を変化させる分子間の非結合相互作用）によるものであるという。 彼らはまた、カフェイン修飾 Pt(111) のモル濃度 1 × 10−6 で興味深いピーク性能が見られ、それを超えると反応活性が低下することに気づきました。 チームはパフォーマンスに制限がある理由については不明であり、調査を続けるとしている。
これらの未知数にもかかわらず、カフェインによる現在の性能向上により、研究者らは「提案された方法は燃料電池の設計を改善し、燃料電池の普及につながる可能性がある」と楽観視している。
参考文献：星長博ほか カフェイン修飾白金単結晶電極における酸素還元反応の強化、コミュニケーション化学（2024）。 DOI: 10.1038/s42004-024-01113-6
フィーチャー画像クレジット: Unsplash の Anastasia Zhenina
#カフェインコーティングで燃料電池を強化