카페인이 연료 전지의 미래를 바꾸다

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카페인이 연료 전지의 미래를 바꾸다

 

연료 전지는 그 잠재력에도 불구하고 산소 환원 반응(ORR)의 활성을 높이기 위해 촉매가 많이 필요하기 때문에 비용이 많이 든다. 연구자들은 카페인이 백금 전극의 ORR 활성을 11배까지 높일 수 있다는 사실을 발견하면서 중요한 발견을 했다. 이 연구는 연료 전지 효율을 개선하고 추가적인 백금 촉매의 필요성을 줄이며 궁극적으로 더 저렴하고 효율적인 연료 전지를 개발할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

 

 

연료 전지는 전 세계가 화석 연료에서 벗어나고자 하는 상황에서 실현 가능한 무탄소 에너지원이다. 전해질로 분리된 양극과 음극으로 구성된 연료 전지는 연료의 화학 에너지를 전기로 직접 변환한다. 연료가 양극으로 전달되면 음극에 산화제(일반적으로 공기 중의 산소)가 첨가된다.

 

수소 연료 전지의 양극에서는 수소가 산화되어 수소 이온과 전자를 생성한다. 전기는 이온이 전해질에서 음극으로 이동하고 전자가 외부 회로를 통과할 때 생성된다. 물은 음극에서 산소와 수소 이온 및 전자가 반응하여 생성되는 유일한 부산물이다.

 

그러나 물은 연료 전지의 기능에 영향을 미친다. 물은 백금(Pt) 촉매와 결합하여 전극에 PtOH 층을 생성한다. 이 층은 ORR이 효과적으로 촉매 작용하는 것을 방해하여 에너지 손실을 초래한다. 연료 전지가 효율적으로 작동하려면 높은 백금 부하가 필요하며, 이는 연료 전지 비용을 크게 증가시킨다.

 

일본 치바대학교 공학대학원의 나가히로 호시, 마사시 나카무라, 류타 쿠보, 루이 스즈키 교수 연구팀은 특정 백금 전극에 카페인을 첨가하면 ORR의 활성을 높일 수 있다는 사실을 발견했다.

 

이 연구는 2024년 2월 3일 커뮤니케이션 케미스트리에 게재되었다. 이 발견은 백금의 필요성을 낮추어 연료 전지의 비용을 낮추고 효율을 높일 수 있다.

 

“커피에 포함된 화학 물질 중 하나인 카페인은 원자 배열이 육각형 구조를 갖는 잘 정의된 Pt 전극에서 연료 전지 반응의 활성을 11배 향상시킵니다.

나가히로 호시, 치바대학교 교수”

 

카페인이 ORR에 미치는 영향을 확인하기 위해 연구진은 카페인 함유 전해질에 담근 백금 전극을 통해 전류 흐름을 모니터링했다. 이 백금 전극의 표면 원자는 (111), (110), (100)의 세 가지 방향으로 구성되었다.

 

전해질의 카페인 농도가 증가하면 전극의 ORR 활성이 크게 향상되었다. 카페인이 존재하면 전극 표면에 흡착하여 이산화 백금의 발생과 수소 흡착을 효율적으로 차단한다. 그럼에도 불구하고 전극 표면에 백금 원자가 배열된 방식에 따라 카페인의 작동 방식이 결정되었다.

 

카페인 몰 농도가 1 × 10-6일 때 Pt(111)와 Pt(110)의 ORR 활성은 각각 11배와 2.5배 증가한 반면, Pt(100)은 뚜렷한 변화가 없었다. 연구진은 적외선 반사 흡수 분광법을 사용하여 전극 표면에서 카페인의 분자 방향을 조사하여 이러한 불일치를 이해했다.

 

그 결과 카페인의 분자 평면은 카페인이 흡수되는 Pt(111) 및 Pt(110) 표면과 수직인 것으로 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고 Pt(100)의 입체 장애로 인해 분자 평면이 전극 표면에 대해 비뚤어진 상태로 부착된다.

 

호시 교수는 "Pt(111)과 Pt(110)의 ORR 활성 증가는 흡착된 카페인의 PtOH 커버리지가 감소하고 입체 장애가 낮아졌기 때문"이라고 덧붙였다. 반대로 Pt(100)의 경우, 흡착된 카페인의 입체 장애로 인해 PtOH 감소 효과가 상쇄되어 카페인이 ORR 활성에 영향을 미치지 않았다."라고 설명한다.

 

연료 전지는 배터리보다 수명이 더 길다. 연료가 있는 한 전기를 공급할 수 있어 구조물, 자동차, 우주 임무 등 다양한 응용 분야에 유용하다. 제안된 기술은 연료 전지 설계를 개선하고 더 폭넓은 적용을 장려할 수 있다.

 

신에너지-산업기술종합개발기구(NEDO)(20001187-0)가 이 연구에 자금을 지원했다.

 

 

※ 저널 참조:

Hoshi, N., 외. (2024) 카페인 개질 백금 단결정 전극에서 향상된 산소 환원 반응. 통신 화학

doi:10.1038/s42004-024-01113-6