Trong pin nhiên liệu hydro, hydro trải qua quá trình oxy hóa ở cực dương, tạo ra các ion và electron hydro. Các ion di chuyển qua chất điện phân đến cực âm và các electron chạy qua mạch ngoài, tạo ra điện. Ở cực âm, oxy kết hợp với các ion hydro và electron, tạo ra sản phẩm phụ duy nhất là nước. Tuy nhiên, sự hiện diện của nước ảnh hưởng đến hiệu suất của pin nhiên liệu. Nó phản ứng với chất xúc tác bạch kim (Pt), tạo thành một lớp hydroxit bạch kim (PtOH) trên điện cực, cản trở quá trình xúc tác hiệu quả của phản ứng khử oxy (ORR), dẫn đến thất thoát năng lượng. Để duy trì hoạt động hiệu quả, pin nhiên liệu cần lượng Pt cao, điều này làm tăng đáng kể chi phí của pin nhiên liệu.

Đột phá về hiệu suất chất xúc tác tế bào nhiên liệu

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Communications Chemistry, Giáo sư Nagahiro Hoshi, cùng với các nhà nghiên cứu Masashi Nakamura, Ryuta Kubo và Rui Suzuki, tất cả đều đến từ Trường Kỹ thuật tại Đại học Chiba, Nhật Bản, đã phát hiện ra rằng việc thêm caffeine vào một số loại bạch kim nhất định các điện cực có thể làm tăng hoạt động của ORR. Phát hiện này có khả năng làm giảm nhu cầu bạch kim, làm cho pin nhiên liệu có giá cả phải chăng và hiệu quả hơn. Giáo sư Hoshi cho biết: “Caffeine, một trong những chất hóa học có trong cà phê, giúp tăng cường hoạt động của phản ứng pin nhiên liệu lên gấp 11 lần trên một điện cực Pt được xác định rõ ràng, trong đó các nguyên tử sắp xếp có cấu trúc lục giác”.

Tác động của caffeine lên điện cực bạch kim

Để đánh giá tác động của caffeine lên ORR, các nhà nghiên cứu đã đo dòng điện chạy qua các điện cực bạch kim nhúng trong chất điện phân có chứa caffeine. Các điện cực bạch kim này có các nguyên tử bề mặt được sắp xếp theo các hướng cụ thể. Có sự cải thiện đáng chú ý trong hoạt động ORR của điện cực với sự gia tăng nồng độ caffeine trong chất điện phân. Caffeine khi có mặt sẽ hấp phụ trên bề mặt điện cực, ngăn chặn hiệu quả sự hấp phụ hydro và sự hình thành oxit Pt trên điện cực. Tuy nhiên, tác dụng của caffeine phụ thuộc vào sự định hướng của các nguyên tử bạch kim trên bề mặt điện cực.

Không giống như pin thông thường có tuổi thọ hạn chế, tế bào nhiên liệu (pin nhiên liệu) có thể tạo ra năng lượng lâu dài miễn là nhiên liệu được cung cấp, khiến chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm trang bị cho các loại xe, thiết bị trong các tòa nhà và tàu không gian. Kết quả nghiên cứu này có tiềm năng cải thiện thiết kế của pin nhiên liệu và đưa chúng vào sử dụng rộng rãi.