Článek
O tom, že kávu lze využít i k jiným účelům než jen k přípravě povzbuzujícího nápoje, dobře vědí hospodyňky. Kávu, respektive kávovou sedlinu, používají jako hnojivo, barvivo, čisticí prostředek, pohlcovač pachů nebo peeling. Ale že by mohl kofein nabíjet palivové články v autech na vodík, to by je nejspíš nenapadlo. To však neplatí pro vědce, ti už léta pátrají po bezuhlíkových zdrojích energie. Palivové články se v tomto směru jeví jako slibné technologie. Jsou ale nákladné, protože využívají drahý materiál. Když k nim ale přidáte kofein, je to jiné kafe.
Japonští výzkumníci z Fakulty strojírenství na Univerzitě v Čibě zjistili, že přidáním kofeinu lze zvýšit účinnost palivových článků a současně snížit množství potřebné platiny, která je drahým kovem. Tím se palivové články stanou nejen výkonnějšími, ale také cenově dostupnějšími.
Drahá platina
Na rozdíl od generátorů, které postupně přeměňují chemickou energii paliva na elektrickou pomocí spalování a mechanického pohybu, palivové články generují elektřinu přímo z chemické energie paliva a okysličovadla. Fungují jako galvanické články, které mají dvě elektrody oddělené membránou nebo elektrolytem. Palivo je přiváděno k záporné elektrodě (anodě), zatímco okysličovadlo je dodáváno ke kladné elektrodě (katodě). Mezi elektrodami pak dochází ke katalytické reakci obou látek.
V současné době se největší naděje upínají ke kyslíko-vodíkovým palivovým článkům. Tento typ článků využívá vodík jako palivo a kyslík jako okysličovadlo, přičemž jediným odpadním produktem je čistá voda.
Přítomnost vody však negativně ovlivňuje výkon palivového článku. Voda reaguje s platinovým katalyzátorem a vytváří na elektrodě vrstvu hydroxidu platiny (PtOH), která narušuje chemické reakce a vede k energetickým ztrátám. Aby si palivové články zachovaly účinný provoz, vyžadují vysoké množství platiny, což je notně prodražuje. Tržní cena platiny se nyní pohybuje nad 1000 dolary za unci, což představuje více než 700 Kč za gram.
Účinek kofeinu
Vědci zdůrazňují, že klíčovým faktorem pro pokrok v oblasti palivových článků je zvýšení aktivity redoxních (oxidačně-redukčních) reakcí, kdy probíhají současně dvě chemické poloreakce – oxidace a redukce. Právě tento chemický proces je zodpovědný za výrobu elektřiny v palivových článcích. Čím je tato reakce účinnější, tím lépe palivový článek funguje.
A právě zde vstupuje do hry kofein. Výzkumníci objevili, že nanesení kofeinu na povrch platiny zvýšilo aktivitu redoxní reakce až jedenáctkrát ve srovnání s čistou platinou, což je obrovský rozdíl. Je to, jako kdybyste starý, těžkopádný vůz nahradili nejmodernějším supersporťákem s turbodmychadly.
„Kofein, jedna z chemických látek obsažených v kávě, zvyšuje aktivitu reakce palivového článku jedenáctkrát na dobře definované Pt elektrodě, jejíž atomární uspořádání má hexagonální strukturu,“ uvedl ve svém prohlášení Nagahiro Hoši, jenž výzkum vedl.
Těchto zjištění se japonský tým dobral díky použití pokročilé analytické techniky zvané infračervená reflexní absorpční spektroskopie, zkráceně IRAS. Ukázalo se, že kofein vytlačuje molekuly vody z povrchu platiny, čímž předchází tvorbě nežádoucího hydroxidu platiny, který by jinak snižoval výkon článků.
Účinek kofeinu se však lišil podle orientace atomů platiny na povrchu elektrody. Na atomárně hladkém povrchu platiny, známém jako Pt(111), kofein zvýšil aktivitu redoxní reakce jedenáctkrát. Na trochu hrubším povrchu, Pt(110), byl tento efekt mírnější, ale stále výrazný – zlepšení dosáhlo 2,5násobku původní aktivity. Na povrchu Pt(100) se však žádný podobný účinek neprojevil.
Budoucí zdroj energie?
Studie otevírá nové, zajímavé možnosti pro výzkum palivových článků. Pokud se vědcům podaří laboratorní výsledky implementovat v praxi, může to znamenat levnější, účinnější a širší využití palivových článků. Na rozdíl od baterií s omezenou životností jsou palivové články schopny generovat energii nepřetržitě, pokud je dostatečné množství paliva. To je dělá ideálními pro použití v různých odvětvích, včetně automobilů, budov a vesmírných misí. Stále častěji se palivové články využívají v datových centrech pro záložní napájení, nahrazují dieselové generátory a někdy slouží i jako hlavní zdroj energie.
Zdroj: Univerzita v Čibě / nature.com / scitechdaily.com / wikipedia.org / wikipedia.org
Odkaz na studii: Zvýšená redukční reakce kyslíku na platinových monokrystalických elektrodách modifikovaných kofeinem, Nagahiro Hošii, Masašii Nakamura, Ryuta Kubo a Rui Suzuki, 3. února 2024, Communications Chemistry. DOI: 10.1038/s42004-024-01113-6
