Estrutura adsorvida de cafeína em eletrodos de cristal único de Pt bem definidos e a atividade do eletrodo de ar da célula de combustível antes (barra azul) e depois (barra laranja) da modificação da cafeína. Crédito:Professor Nagahiro Hoshi da Universidade de Chiba Com metas globais definidas para a transição dos combustíveis fósseis, as células de combustível destacam-se como uma promissora fonte de energia livre de carbono. Compostas por um ânodo e um cátodo separados por um eletrólito, as células de combustível convertem a energia química do combustível diretamente em eletricidade. O ânodo recebe o combustível, enquanto um oxidante, normalmente o oxigênio do ar, é introduzido no cátodo.
Em uma célula a combustível de hidrogênio, o hidrogênio sofre oxidação no ânodo, produzindo íons e elétrons de hidrogênio. Os íons se movem através do eletrólito até o cátodo e os elétrons fluem através de um circuito externo, gerando eletricidade. No cátodo, o oxigênio se combina com os íons e elétrons de hidrogênio, resultando na água como único subproduto.
No entanto, a presença de água afeta o desempenho da célula a combustível. Reage com o catalisador de platina (Pt), formando uma camada de hidróxido de platina (PtOH) no eletrodo, que obstrui a catálise eficiente da reação de redução de oxigênio (ORR), levando a perdas de energia. Para manter uma operação eficiente, as células a combustível requerem uma alta carga de Pt, o que aumenta significativamente os custos das células a combustível.
Agora, em um estudo publicado na revista Communications Chemistry em 3 de fevereiro de 2024, o professor Nagahiro Hoshi, junto com Masashi Nakamura, Ryuta Kubo e Rui Suzuki, todos da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, no Japão, descobriram que a adição de cafeína a certos eletrodos de platina pode aumentar a atividade do ORR. Esta descoberta tem o potencial de reduzir os requisitos de platina, tornando as células de combustível mais acessíveis e eficientes.
“A cafeína, um dos produtos químicos contidos no café, aumenta 11 vezes a atividade de uma reação de célula de combustível em um eletrodo de Pt bem definido, cujo arranjo atômico tem uma estrutura hexagonal”, diz o Prof.
Para avaliar o impacto da cafeína na ORR, os investigadores mediram o fluxo de corrente através de eléctrodos de platina imersos num electrólito contendo cafeína. Esses eletrodos de platina tinham átomos superficiais dispostos em direções específicas, nomeadamente (111), (110) e (100).
Houve uma melhoria notável na atividade ORR do eletrodo com um aumento na concentração de cafeína no eletrólito. A cafeína, quando presente, é adsorvida na superfície do eletrodo, evitando efetivamente a adsorção de hidrogênio e a formação de óxido de Pt no eletrodo. Porém, o efeito da cafeína dependia da orientação dos átomos de platina na superfície do eletrodo.
A uma concentração molar de cafeína de 1 × 10
−6
, a atividade ORR em Pt(111) e Pt(110) aumentou 11 e 2,5 vezes, respectivamente, sem efeito perceptível em Pt(100). Para entender essa diferença, os pesquisadores investigaram a orientação molecular da cafeína na superfície do eletrodo usando espectroscopia de absorção de reflexão infravermelha.
Eles descobriram que a cafeína é absorvida nas superfícies Pt(111) e Pt(110) com seu plano molecular perpendicular à superfície. No entanto, em Pt(100), os obstáculos estéricos fazem com que ele fique ligado com seu plano molecular inclinado em relação à superfície do eletrodo.
"O aumento da atividade ORR de Pt(111) e Pt(110) foi atribuído à diminuição da cobertura de PtOH e ao menor impedimento estérico da cafeína adsorvida. Por outro lado, para Pt(100), o efeito da diminuição de PtOH foi neutralizado pelo impedimento estérico da cafeína adsorvida e, portanto, a cafeína não afetou a atividade ORR", explica o Prof. Hoshi.
Ao contrário das baterias com vida útil limitada, as células de combustível podem gerar energia enquanto o combustível for fornecido, tornando-as adequadas para diversas aplicações, incluindo veículos, edifícios e missões espaciais. O método proposto tem o potencial de melhorar os projetos de células de combustível e levar ao seu uso generalizado.
