「咖啡因」助力燃料電池，鉑金成本大幅下降

 2024年3月14日 – 日本科學家的最新研究發現，向燃料電池中加入咖啡因，不僅能提高其效率，還能大幅減少昂貴的鉑金使用，從而降低生產成本。這一發現對於從電動車到數據中心等多種應用領域的替代能源存儲技術來說，無疑是一大突破。

這項研究成果發表於《通訊化學》期刊，涉及燃料電池陰極的催化過程及其效率提升方法。燃料電池類似於電池，通過將燃料（或電解質）和氧化劑的化學能轉換成電能來產生動力。與有限壽命的電池不同，只要持續供應燃料，燃料電池就能持續產生電力。

研究指出，水作為燃料電池的副產物會影響其性能，與鉑金反應形成的鉑金氫氧化物（PtOH）會干擾氧氣還原反應（oxygen reduction reaction,ORR）的催化。為維持高效運作，燃料電池需要較高的鉑金含量，這大大提高了成本。但研究人員發現，加入咖啡因可以將鉑金電極的ORR活性提高11倍，從而提高反應效率。

這項研究的背後思路是，使用具有疏水性的材料來修改電極是提高ORR效率的有效方法。咖啡因相比其他疏水物質更為無害，且可以激活鉑金奈米粒子和咖啡因摻雜碳的氫發展和氧化反應。

咖啡因濃度增加 氧氣還原反應提高

咖啡因在精確制定的鉑單晶電極上吸附的結構，以及燃料電池空氣電極在經過咖啡因改性前後（分別以藍色和橙色柱狀表示）的活性情況。（圖片來源：Professor Nagahiro Hoshi from Chiba University）

千葉大學工程研究生院的團隊在應用化學和生物技術部門教授長宏教授的帶領下進行了這項研究。長宏教授解釋說，他們發現隨著電解質中咖啡因濃度的增加，電極的ORR活性顯著提高。

這種方法形成的薄層有效地阻止了PtOH的形成，但這種效果取決於鉑金原子在電極表面的取向。研究指出，Pt(110)和Pt(111)顯示出增加的ORR活性，而Pt(100)則沒有明顯效果。此發現也有望改善燃料電池的設計，促進其更廣泛的應用。燃料電池已經在多個領域得到應用，特別是在數據中心作為替代柴油發電機的後備電源，甚至成為主要電源。

去年（2023），一項報告指出，韓國SK Ecoplant計劃在愛爾蘭建造一個完全由燃料電池技術供電的數據中心。此外，日本也計劃在本月底開始測試使用來自電動車的燃料電池為數據中心供電的可行性。

新加坡國立大學去年發布的報告聲稱，作為提供數據中心後備電力的方法，燃料電池已經比其他技術更有效率。這項新發現不僅打開了燃料電池創新的新大門，也為能源存儲技術的未來帶來了新的希望。

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首圖來源：Dark Energy Survey　cc By4.0

圖片來源：Communications Chemistry  cc By4.0

參考論文：

1.Enhanced oxygen reduction reaction on caffeine-modified platinum single-crystal electrodesCommunications Chemistry

Science Communication YouTuber Challenge

 

9/12/2023 小六資訊日

 

Chemists Online Self-study Award Scheme (Bronze awards)

Sit Shing Him and Li Chi Yan recently received their bronze awards from the Chemists Online Self-study Award Scheme. Congratulations!

The Nobel Prize in Chemistry 2023

The Nobel Prize in Chemistry 2023 was awarded to Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus and Alexei I. Ekimov "for the discovery and synthesis of quantum dots"

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/

聯校科展

 

權威期刊《Nature》刊文直指「LK-99不是超導體」，為什麼一開始大家認為它是？

Q1：LK-99是什麼？為什麼大家一開始認為它是室溫超導體？

LK-99是一種由銅、鉛、磷和氧組成的化合物。一開始，韓國研究團隊宣稱LK-99在常壓和高達127ºC的溫度下表現出超導性質—零電阻與麥斯納效應（Meissner effect）。這個結果引起全球關注，因為之前的超導態只在極低的溫度和或極高的壓力下存在。

Q2：什麼是麥斯納效應？LK-99有這種效應嗎？

當材料處於超導態時，會完全排斥磁場，這就是麥斯納效應。所以當超導體放在磁鐵上時，超導體變成一個極性相反的磁鐵來抵銷內部磁場，導致超導體可以懸浮在磁鐵上。韓國的研究團隊曾拍攝了一段影片，顯示一個硬幣大小的LK-99樣本在懸浮在磁鐵上，但是有一端是貼著磁鐵的，他們說這是麥斯納效應造成的磁懸浮。

Q3：LK-99如果能磁懸浮的話，那不就是超導的佐證嗎？

老實說那個磁浮有點半弔子，超導體在磁鐵上懸浮時可以旋轉，甚至上下翻轉；而LK-99樣本的某一邊總是黏附在磁鐵上，看起來似乎處於微妙的平衡狀態。

此外，並不只有超導體才會有磁懸浮的現象，「逆磁性」材料也會有，只要外加磁場夠強的話，連青蛙都可以浮起來。不只如此，有一位哈佛大學的前凝態物理研究人員（目前改行去金融業了）利用碳粉加上一點鐵屑，壓製了一片形狀類似的樣品，放在磁鐵上也可以懸浮得起來，而且那個樣子跟LK-99的懸浮方式幾乎一模一樣，這次的樣品是「鐵磁性」材料。

Q4：那LK-99電阻在攝氏一百多度時像超導轉變一樣突然下降，要怎麼解釋呢？

雖然韓國研究團隊觀察到LK-99在此溫度下的電阻急遽下降，電阻率從0.02 Ω‧cm 降了10倍變成0.002 Ω‧cm，但畢竟沒有到零。此外，其他研究團隊發現，由於論文中LK-99的製程採用的銅與硫的比例並不平衡，導致最後的樣品出現了硫化亞銅（Cu2S）的雜質。硫化亞銅在104ºC時會發生相變，讓電阻大幅下降，讓LK-99的電阻量測看起來有點像超導相變，但並不是。

所以，其他團隊都無法重現LK-99的超導性，原始論文所說類似超導體的抗磁性與電阻下降，都可以用其他的更常見的材料特性來解釋。

Q5：其他團隊無法重現，是否也有可能是因為樣品沒做好的關係？

在8月14日，德國的Max-Planck固態研究所的科學家長出了完美的LK-99的單晶，裡面完全沒有硫化亞銅的雜質，量測的結果顯示它是個電阻超級高的絕緣體，帶有微弱的鐵磁性以及逆磁性，跟超導體截然不同。

Q6：可是不是有理論顯示，LK-99的能帶結構可能具有超導體的特徵嗎？

能帶結構（Band structure）是什麼？

又稱電子能帶結構，描述了禁止或允許電子所帶有的能量。材料的能帶結構決定了多種特性，特別是它的電學、光學和熱學性質。

那篇論文有說要在材料結構符合某些條件才行，不過根據美國與歐洲的合作團隊對材料結構進一步研究，重新計算能帶之後發現，這些條件是不成立的。

Q7：LK-99的一生，給我們的教訓是什麼？

科學家們在發表重要發現之前先別興奮過度，必須進行徹底、詳細的實驗驗證。此外，要避免一廂情願的解釋成「石破天驚的大發現」，有時對於實驗結果有更簡單、更直接的解釋，可能才是真相，雖然這種解釋比較不吸引人，也無法讓你拿到諾貝爾獎。最後，科學的「可再現性」依然是重中之重的金科玉律。

Q8：最最最後，難道一點救也沒了嗎？

新穎的材料，特別是新超導體的研究，老實說比起煉金術也好不到哪裡去，「超級純的單晶樣品」不見得是最好的答案。像是在前一代的「高溫超導體」中，也是高純度、無摻雜的材料是絕緣體，必須摻入雜質才會超導。所以或許LK-99會在某種「不怎麼乾淨的結構」下超導也說不定。材料的結構千變萬化，我們很難說「百分之百怎樣」，不過現在看起來，可能性是很低很低啦……

Q9：常溫超導體，真的是遙不可及的夢想嗎？

不會啊，接下來是太空時代，在接近絕對零度的太空中，幾乎所有的超導體都是「常溫超導體」了！超導轉變溫度上不去，把「常溫」降下來就好了嘛！

https://www.thenewslens.com/article/190538