18. März 2024 | Koffein kann die Effizienz von Brennstoffzellen erhöhen. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsteam der japanischen Chiba Universität. Der Grund: Durch die Zugabe von Koffein in das Elektrolyt der Brennstoffzelle bildet sich eine Schicht, die die Platinelektroden vor dem Kontakt mit Wasser schützt. Nach Angaben der Universität könnte die Entdeckung sowohl die Effizienz der Brennstoffzellen erhöhen als auch deren Kosten senken.

In den Zellen von Brennstoffzellen-Stacks befinden sich eine Membran und zwei meist mit Platin beschichtete Elektroden (Anode und Kathode). Die Platinschicht erhöht die Geschwindigkeit der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, durch die elektrische Energie entsteht. Ein Forschungsteam um Professor Nagahiro Hoshi von der Graduate School of Engineering an der Chiba University hat herausgefunden, dass die Zugabe von Koffein zu bestimmten Platinelektroden deren Effizienz um das 11-fache steigern kann. Ihre Ergebnisse haben die Forscher Anfang Februar in der Fachzeitschrift Communications Chemistry vorgestellt, wie die Universität am vergangenen Donnerstag (14. März) mitteilte.

Um den Einfluss von Koffein auf die Reaktion der Brennstoffzelle zu bewerten, maßen die Wissenschaftler nach Angaben der Universität Chiba den Stromfluss durch Platinelektroden, die in einen koffeinhaltigen Elektrolyten getaucht waren. Dabei waren die Oberflächenatome der Elektroden in den Kristallstrukturen (100), (110) und (111) angeordnet. Im Anschluss habe man an einigen Elektroden eine Verbesserung der Reaktivität in Abhängigkeit von der Koffeinkonzentration feststellen können.

Wenn die Atome auf der Oberfläche der Platinelektrode wie in Pt (111) oder Pt (110) angeordnet sind, können Koffein-Moleküle sie vor Kontakt mit Wasser schützen (© Chiba University)

Der Grund: An der Kathode verbindet sich der Sauerstoff mit Wasserstoff, was elektrischen Strom freisetzt. Dabei entsteht als einziges Nebenprodukt Wasser. Das Vorhandensein von Wasser beeinträchtigt jedoch die Leistung der Brennstoffzelle: Es reagiert mit dem Platin (Pt)-Katalysator und bildet eine Schicht aus Platinhydroxid (PtOH) auf der Elektrode, die die effiziente Katalyse der Reaktion behindert.

Koffein schützt Platin-Katalysatoren

Wenn Koffein vorhanden ist, schützt es nach Angaben der Forscher die Platinelektroden vor dem Wasser, das bei der Reaktion entsteht. Dies verhindert die Bildung von PtOH auf der Elektrode. Indes hänge die Wirkung des Koffeins maßgeblich von der Ausrichtung der Platinatome auf der Elektrodenoberfläche ab.

„Die erhöhte Aktivität von Pt(111) und Pt(110) wurde auf die geringere PtOH Bedeckung und der geringeren sterischen Hinderung des adsorbierten Koffeins zugeschrieben. Im Gegensatz dazu wurde bei Pt(100) der Effekt der PtOH-Bedeckung durch die sterische Hinderung des adsorbierten Koffeins aufgehoben, so dass Koffein keinen Einfluss auf die ORR-Aktivität“, erklärt Prof. Hoshi.

Laut den Forschenden könnte die Entdeckung dazu führen, dass Brennstoffzellen langfristig sowohl günstiger als auch effizienter werden. Ob und wann die Koffein-Brennstoffzellen aber serienreif sind, geht aus der Mitteilung der Universität Chiba nicht hervor.

(Quelle: Chiba University/2024)