En una pila de combustible de hidrógeno, el hidrógeno se oxida en el ánodo, produciendo iones de hidrógeno y electrones. Los iones se mueven a través del electrolito hasta el cátodo y los electrones fluyen a través de un circuito externo, generando electricidad. En el cátodo, el oxígeno se combina con los iones de hidrógeno y los electrones, lo que da como resultado agua como único subproducto.

Sin embargo, la presencia de agua afecta el rendimiento de la pila de combustible. Reacciona con el catalizador de platino (Pt), formando una capa de hidróxido de platino (PtOH) en el electrodo, que obstruye la catálisis eficiente de la reacción de reducción de oxígeno (ORR), provocando pérdidas de energía. Para mantener un funcionamiento eficiente, las pilas de combustible requieren una alta carga de Pt, lo que aumenta significativamente los costes de las pilas de combustible.

Ahora, en un estudio publicado en la revista Communications Chemistry El 3 de febrero de 2024, el profesor Nagahiro Hoshi, junto con Masashi Nakamura, Ryuta Kubo y Rui Suzuki, todos de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba, Japón, descubrieron que agregar cafeína a ciertos electrodos de platino puede aumentar la actividad del ORR. Este descubrimiento tiene el potencial de reducir los requisitos de platino, haciendo que las pilas de combustible sean más asequibles y eficientes.

"La cafeína, una de las sustancias químicas contenidas en el café, aumenta 11 veces la actividad de una reacción de pila de combustible en un electrodo de Pt bien definido cuya disposición atómica tiene una estructura hexagonal", dice el profesor Hoshi.

Para evaluar el impacto de la cafeína en la ORR, los investigadores midieron el flujo de corriente a través de electrodos de platino sumergidos en un electrolito que contenía cafeína. Estos electrodos de platino tenían átomos superficiales dispuestos en direcciones específicas, a saber (111), (110) y (100).

Hubo una mejora notable en la actividad ORR del electrodo con un aumento en la concentración de cafeína en el electrolito. La cafeína, cuando está presente, se adsorbe en la superficie del electrodo, previniendo eficazmente la adsorción de hidrógeno y la formación de óxido de Pt en el electrodo. Sin embargo, el efecto de la cafeína dependía de la orientación de los átomos de platino en la superficie del electrodo.

Con una concentración molar de cafeína de 1 × 10 ⁻⁶ , la actividad ORR en Pt(111) y Pt(110) aumentó 11 y 2,5 veces, respectivamente, sin ningún efecto notable en Pt(100). Para comprender esta diferencia, los investigadores investigaron la orientación molecular de la cafeína en la superficie del electrodo mediante espectroscopia de absorción por reflexión infrarroja.

Descubrieron que la cafeína se absorbe en las superficies de Pt(111) y Pt(110) con su plano molecular perpendicular a la superficie. Sin embargo, en Pt(100), los obstáculos estéricos hacen que se fije con su plano molecular inclinado con respecto a la superficie del electrodo.

"El aumento de la actividad ORR de Pt(111) y Pt(110) se atribuyó a la disminución de la cobertura de PtOH y al menor impedimento estérico de la cafeína adsorbida. Por el contrario, para Pt(100), el efecto de la disminución de PtOH fue contrarrestado por el impedimento estérico. de la cafeína adsorbida y, por lo tanto, la cafeína no afectó la actividad ORR", explica el profesor Hoshi.

A diferencia de las baterías con una vida útil limitada, las pilas de combustible pueden generar energía siempre que se suministre combustible, lo que las hace adecuadas para diversas aplicaciones, incluidos vehículos, edificios y misiones espaciales. El método propuesto tiene el potencial de mejorar los diseños de las pilas de combustible y conducir a su uso generalizado.