燃料電池雖然前景廣闊，但由於需要大量催化劑來提高氧氣還原反應 (ORR) 活性，因此成本高昂。研究人員取得了一項突破性進展，他們發現將咖啡因添加到電極上可以使鉑金電極的 ORR 活性提高 11 倍。這一發現可以提高燃料電池的效率，減少對過量鉑金催化劑的需求，並最終降低燃料電池的成本和提高效率。
為了實現從化石燃料過渡到碳中和的全球目標，燃料電池被視為一種有前景的零碳能源。燃料電池由陽極和陰極組成，中間隔著一個電解質，可以將燃料的化學能直接轉換為電能。陽極接收燃料，陰極引入氧化劑（通常是空氣中的氧氣）。在氫燃料電池中，氫氣在陽極發生氧化反應，產生氫離子和電子。離子通過電解質移動到陰極，電子則透過外部電路流動，產生電能。在陰極，氧氣與氫離子和電子結合，產生成水作為唯一的副產物。
然而，水的存在會影響燃料電池的性能。它會與鉑 (Pt) 催化劑反應，在電極上形成一層氫氧化鉑 (PtOH)，進而阻礙氧氣還原反應 (ORR) 的有效催化，導致能量損失。為了保持高效運行，燃料電池需要較高的鉑負載，這會大大增加燃料電池的成本。
現在，日本千葉大學工程研究生院的星野長宏（Nagahiro Hoshi）教授、中村正史（Masashi Nakamura）、久保龍太（Ryuta Kubo）和鈴木睿（Rui Suzuki）在 2024 年 2 月 3 日發表於《通訊化學》雜誌的一項研究中發現，將咖啡因添加到某些鉑金電極上可以提高 ORR 的活性。這一發現有可能減少對鉑的需求，使燃料電池更實惠、更高效。「咖啡因是咖啡中含有的一種化學物質,它可以在表面原子排列呈六角結構的高度定義的鉑電極上將燃料電池反應的活性提高11倍。」星野教授說。
為了評估咖啡因對 ORR 的影響，研究人員測量了浸入含有咖啡因的電解質的鉑金電極的電流流動。這些鉑金電極的表面原子按照特定的方向排列，即 (111)、(110) 和 (100)。隨著電解質中咖啡因濃度的增加，電極的 ORR 活性顯著提高。當咖啡因存在時,它會吸附在電極表面,有效阻止氫氣吸附和電極上PtOH的形成。
然而，咖啡因的影響取決於電極表面鉑金原子的排列方向。在 1×10^-6摩爾濃度的咖啡因下，Pt(111) 和 Pt(110) 上的 ORR 活性分別增加了 11 倍和 2.5 倍，而對 Pt(100) 沒有明顯影響。為了理解這種差異，研究人員使用紅外反射吸收光譜法研究了咖啡因在電極表面的分子取向。他們發現咖啡因以其分子平面垂直於表面吸附在 Pt(111) 和 Pt(110) 表面上。然而，在 Pt(100) 上，由於空間位阻效應，它會傾斜相對於電極表面吸附其分子平面。
「Pt(111) 和 Pt(110) 提高的 ORR 活性歸因於 PtOH 覆蓋率的降低和吸附咖啡因的較低空間位阻。相反，對於 Pt(100)，降低 PtOH 的作用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，」星野教授解釋道。
與使用壽命有限的電池不同，燃料電池可以只要提供燃料就能發電，因此適用於各種應用，包括車輛、建築物和太空任務。所提出的方法有可能改善燃料電池的設計並導致其廣泛使用。
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