In una cella a combustibile a idrogeno, l'idrogeno subisce ossidazione all'anodo, producendo ioni idrogeno ed elettroni. Gli ioni si muovono attraverso l'elettrolita fino al catodo e gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno, generando elettricità. Al catodo, l'ossigeno si combina con gli ioni idrogeno e gli elettroni, producendo acqua come unico sottoprodotto.

Tuttavia, la presenza di acqua influisce sulle prestazioni della cella a combustibile. Reagisce con il catalizzatore di platino (Pt), formando uno strato di idrossido di platino (PtOH) sull'elettrodo, che ostacola l'efficiente catalisi della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR), portando a perdite di energia. Per mantenere un funzionamento efficiente, le celle a combustibile richiedono un elevato carico di Pt, che aumenta significativamente i costi delle celle a combustibile.

Ora, in uno studio pubblicato sulla rivista Communications Chemistry il 3 febbraio 2024, il professor Nagahiro Hoshi, insieme a Masashi Nakamura, Ryuta Kubo e Rui Suzuki, tutti della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba, in Giappone, hanno scoperto che l'aggiunta di caffeina ad alcuni elettrodi di platino può aumentare l'attività del ORR. Questa scoperta ha il potenziale per ridurre la richiesta di platino, rendendo le celle a combustibile più convenienti ed efficienti.

"La caffeina, una delle sostanze chimiche contenute nel caffè, potenzia l'attività di una reazione di cella a combustibile di 11 volte su un elettrodo Pt ben definito la cui disposizione atomica ha una struttura esagonale", afferma il prof. Hoshi.

Per valutare l'impatto della caffeina sull'ORR, i ricercatori hanno misurato il flusso di corrente attraverso elettrodi di platino immersi in un elettrolita contenente caffeina. Questi elettrodi di platino avevano atomi superficiali disposti in direzioni specifiche, vale a dire (111), (110) e (100).

Si è verificato un notevole miglioramento nell'attività ORR dell'elettrodo con un aumento della concentrazione di caffeina nell'elettrolita. La caffeina, quando presente, viene adsorbita sulla superficie dell'elettrodo, prevenendo efficacemente l'adsorbimento di idrogeno e la formazione di ossido di Pt sull'elettrodo. Tuttavia, l'effetto della caffeina dipendeva dall'orientamento degli atomi di platino sulla superficie dell'elettrodo.

A una concentrazione molare di caffeina di 1 × 10 ⁻⁶ , l'attività ORR su Pt(111) e Pt(110) è aumentata rispettivamente di 11 e 2,5 volte, senza effetti evidenti su Pt(100). Per comprendere questa differenza, i ricercatori hanno studiato l'orientamento molecolare della caffeina sulla superficie dell'elettrodo utilizzando la spettroscopia di assorbimento della riflessione infrarossa.

Hanno scoperto che la caffeina viene assorbita sulle superfici Pt(111) e Pt(110) con il suo piano molecolare perpendicolare alla superficie. Tuttavia, su Pt(100), gli ostacoli sterici ne fanno sì che sia attaccato con il suo piano molecolare inclinato rispetto alla superficie dell'elettrodo.

"L'aumento dell'attività ORR di Pt(111) e Pt(110) è stato attribuito alla diminuzione della copertura di PtOH e al minore ingombro sterico della caffeina adsorbita. Al contrario, per Pt(100), l'effetto della diminuzione di PtOH è stato contrastato dall'impedimento sterico della caffeina adsorbita, e quindi la caffeina non ha influenzato l'attività ORR," spiega il Prof. Hoshi.

A differenza delle batterie con durata di vita limitata, le celle a combustibile possono generare energia finché viene fornito il carburante, rendendole adatte a varie applicazioni, inclusi veicoli, edifici e missioni spaziali. Il metodo proposto ha il potenziale per migliorare la progettazione delle celle a combustibile e portare al loro utilizzo diffuso.