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La recherche montre que la caféine augmente les performances des électrodes de platine

Dans une étude publiée dans la revue Communications Chemistry le 3 février, le professeur Nagahiro Hoshi, ainsi que Masashi Nakamura, Ryuta Kubo et Rui Suzuki, tous de la Graduate School of Engineering de l’Université de Chiba, au Japon, ont découvert que l’ajout de caféine à certaines électrodes de platine peut augmenter l’activité de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR). Selon les chercheurs, cette découverte pourrait potentiellement réduire les besoins en platine, rendant ainsi les piles à combustible plus abordables et plus efficaces.

Selon les chercheurs, les piles à combustible sont coûteuses en raison des besoins élevés en catalyseurs pour augmenter l’activité ORR. Ils ont découvert que l’ajout de caféine aux électrodes peut améliorer de 11 fois l’activité ORR des électrodes de platine. Cette découverte pourrait améliorer l’efficacité des piles à combustible, réduire le besoin d’excès de catalyseurs au platine et, à terme, conduire à des piles à combustible moins chères et plus efficaces, ont ajouté les chercheurs.

Constituées d’une anode et d’une cathode séparées par un électrolyte, les piles à combustible convertissent directement l’énergie chimique du combustible en électricité. L’anode reçoit le combustible, tandis qu’un comburant, généralement de l’oxygène de l’air, est introduit dans la cathode. Dans une pile à combustible à hydrogène, l’hydrogène subit une oxydation à l’anode, produisant des ions et des électrons hydrogène. Les ions se déplacent à travers l’électrolyte jusqu’à la cathode et les électrons circulent à travers un circuit externe, générant de l’électricité. À la cathode, l’oxygène se combine avec les ions hydrogène et les électrons, ce qui donne de l’eau comme seul sous-produit.

Cependant, la présence d’eau affecte les performances des piles à combustible, ont indiqué les chercheurs. Il réagit avec le catalyseur au platine (Pt), formant une couche d’hydroxyde de platine (PtOH) sur l’électrode, ce qui empêche une catalyse efficace de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR), entraînant des pertes d’énergie. Pour maintenir un fonctionnement efficace, les piles à combustible nécessitent une charge élevée en platine, ce qui augmente considérablement les coûts des piles à combustible.

« La caféine, l’un des produits chimiques contenus dans le café, augmente 11 fois l’activité d’une réaction de pile à combustible sur une électrode de platine bien définie, dont la disposition atomique a une structure hexagonale », a déclaré Hoshi.

Pour évaluer l’impact de la caféine sur l’ORR, les chercheurs ont mesuré le flux de courant à travers des électrodes de platine immergées dans un électrolyte contenant de la caféine. Ces électrodes de platine avaient des atomes de surface disposés dans des directions spécifiques, à savoir (111), (110) et (100). Les chercheurs ont constaté une amélioration notable de l’activité ORR de l’électrode avec une augmentation de la concentration de caféine dans l’électrolyte. La caféine, lorsqu’elle est présente, s’adsorbe à la surface de l’électrode, empêchant efficacement l’adsorption d’hydrogène et la formation d’oxyde de platine sur l’électrode. Cependant, l’effet de la caféine dépend de l’orientation des atomes de platine sur la surface de l’électrode.

Pour évaluer l’impact de la caféine sur l’ORR, les chercheurs ont mesuré le flux de courant à travers des électrodes de platine immergées dans un électrolyte contenant de la caféine. Ces électrodes de platine avaient des atomes de surface disposés dans des directions spécifiques, à savoir (111), (110) et (100).

À une concentration molaire de caféine de 1 × 10−6, les chercheurs ont rapporté que l’activité ORR sur le Pt (111) et le Pt (110) augmentait respectivement de 11 et 2,5 fois, sans effet notable sur le Pt (100). Pour comprendre cette différence, les chercheurs ont étudié l’orientation moléculaire de la caféine sur la surface de l’électrode à l’aide de la spectroscopie d’absorption par réflexion infrarouge. Ils ont découvert que la caféine est adsorbée sur les surfaces Pt(111) et Pt(110), son plan moléculaire étant perpendiculaire à la surface. Cependant, sur le Pt(100), un obstacle stérique fait qu’il est attaché avec son plan moléculaire incliné par rapport à la surface de l’électrode.

« L’activité ORR accrue du Pt(111) et du Pt(110) a été attribuée à la diminution de la couverture de PtOH et à l’encombrement stérique inférieur de la caféine adsorbée. En revanche, pour le Pt(100), l’effet abaissant du PtOH a été contrecarré par l’encombrement stérique de la caféine adsorbée, et donc la caféine n’a pas affecté l’activité ORR », a expliqué Hoshi.

Contrairement aux batteries à durée de vie limitée, les piles à combustible peuvent produire de l’énergie tant que du carburant est fourni, ce qui les rend adaptées à diverses applications, notamment les véhicules, les bâtiments et les missions spatiales. Les chercheurs ont déclaré que la méthode proposée pourrait potentiellement améliorer la conception des piles à combustible et conduire à leur utilisation généralisée.