Mentre le auto alimentate da celle a combustibile a idrogeno offrono chiari vantaggi rispetto ai veicoli elettrici che stanno crescendo in popolarità (compresa la loro maggiore autonomia, il loro minor impatto ambientale complessivo, e il fatto che possono essere riforniti in pochi minuti, rispetto alle ore di ricarica), devono ancora decollare con i consumatori. Uno dei motivi è l'alto costo e la complessità della produzione, distribuzione, e immagazzinando l'idrogeno puro necessario per alimentarli, che ha ostacolato la diffusione delle stazioni di rifornimento di idrogeno.

Gli ingegneri hanno da tempo riconosciuto la potenza e la disponibilità illimitata dell'idrogeno, l'elemento più abbondante nell'universo. L'idrogeno si trova naturalmente nell'ambiente, ma è quasi sempre chimicamente legato ad altri elementi, all'ossigeno nell'acqua (H2O), Per esempio, o al carbonio in metano (CH4). Per ottenere idrogeno puro, deve essere separato da una di queste molecole. Praticamente tutto l'idrogeno prodotto negli Stati Uniti è ottenuto da combustibili idrocarburici, principalmente gas naturale, attraverso il reforming a vapore, un processo a più stadi in cui gli idrocarburi reagiscono con vapore ad alta temperatura in presenza di un catalizzatore per produrre monossido di carbonio, diossido di carbonio, e idrogeno molecolare (H2).

L'idrogeno può quindi essere separato dagli altri gas attraverso un ingombrante, processo chimico a più fasi, ma il costo e la complessità della produzione di idrogeno possono essere ridotti utilizzando una membrana per eseguire la separazione. La maggior parte delle membrane per la separazione dell'idrogeno attualmente in fase di sviluppo utilizza il metallo prezioso palladio, che ha una solubilità e permeabilità dell'idrogeno insolitamente elevate (il che significa che l'idrogeno si dissolve facilmente e viaggia attraverso il metallo, mentre altri gas sono esclusi). Ma il palladio è costoso (attualmente si vende a circa 900 dollari l'oncia) e fragile.

Per queste ragioni, gli ingegneri chimici hanno a lungo cercato alternative al palladio da utilizzare nelle membrane per la separazione dell'idrogeno, ma così lontano, non sono emersi candidati idonei. Uno studio pionieristico condotto da Ravindra Datta, professore di ingegneria chimica al Worcester Polytechnic Institute (WPI), potrebbe aver identificato l'alternativa al palladio a lungo sfuggente:i metalli liquidi.

Una miriade di metalli e leghe sono liquidi alle temperature operative standard che si trovano nei sistemi di reforming a vapore (circa 500 gradi C), e la maggior parte di questi sono molto meno costosi del palladio. Inoltre, una membrana realizzata con un film di metallo liquido non deve essere soggetta a difetti e crepe che possono rendere inutilizzabile una membrana di palladio.

Lo studio WPI, pubblicato in Journal of the American Institute of Chemical Engineers , è il primo a dimostrare che oltre a questi vantaggi, le membrane di metallo liquido sembrano anche essere significativamente più efficaci del palladio nel separare l'idrogeno puro da altri gas, suggerendo che possono fornire una soluzione pratica ed efficace alla sfida di fornire idrogeno a prezzi accessibili per i veicoli a celle a combustibile. "Il recente passaggio alle auto elettriche è irreversibile, " ha detto Datta. Il passo successivo dopo i veicoli elettrici, lui e altri credono, sono i veicoli alimentati a idrogeno, se l'enigma dell'approvvigionamento di idrogeno è risolto.

Come le auto elettriche a batteria, i veicoli a celle a combustibile hanno motori elettrici. I motori sono alimentati dall'elettricità generata all'interno della cella a combustibile quando idrogeno e ossigeno si combinano in presenza di un catalizzatore (l'unico prodotto "di scarto" è l'acqua). Mentre possono estrarre ossigeno dall'aria, le auto devono trasportare una scorta di idrogeno puro.

Molti ricercatori si sono concentrati sulla riduzione del costo di quell'idrogeno realizzando membrane di palladio migliori e più sottili. Alcune delle membrane più avanzate sono state prodotte dal professore di ingegneria chimica WPI in pensione Yi Hua "Ed" Ma, chi, con notevoli finanziamenti dall'industria e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha aperto la strada a un processo per legare il palladio a un tubo di acciaio poroso, risultando in strati di palladio sottili da 5 a 10 micron.

Rendere sottile lo strato di palladio aumenta il flusso della membrana, o la velocità con cui l'idrogeno puro si muove attraverso di esso. "Ma se una membrana è troppo sottile, "Datta ha detto, "diventa fragile o sviluppa difetti. E le membrane devono essere prive di difetti. Se sviluppano anche una fessura sottile o un microporo, devi ricominciare da capo".

Sei anni fa, Datta e i suoi studenti iniziarono a chiedersi se i metalli liquidi potessero superare alcuni dei limiti del palladio, in particolare il suo costo e la sua fragilità, mentre anche, potenzialmente, offrendo solubilità e permeabilità all'idrogeno superiori. "Oltre all'affinità chimica, la permeabilità dipende da quanto è aperta una struttura cristallina metallica, " ha detto. "I metalli liquidi hanno più spazio tra gli atomi rispetto ai metalli solidi, quindi la loro solubilità e diffusibilità dovrebbe essere maggiore."

Dopo che una revisione della letteratura non ha rivelato ricerche precedenti su questo argomento, Datta ha richiesto con successo un premio di $ 1 milione dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per studiare la fattibilità dell'utilizzo di metalli liquidi per la separazione dell'idrogeno. lui e la sua squadra, studenti laureati Pei-Shan Yen e Nicholas Deveau (Yen ha conseguito il dottorato di ricerca nel 2016; Deveau ha ricevuto il suo a maggio), decisero di iniziare la loro esplorazione con il gallio, un metallo non tossico che è liquido a temperatura ambiente.

Hanno condotto un lavoro fondamentale che ha rivelato che il gallio era un ottimo candidato, poiché ha dimostrato una permeabilità di idrogeno significativamente più elevata rispetto al palladio a temperature elevate. Infatti, studi di laboratorio e modelli teorici condotti dal team hanno mostrato che un certo numero di metalli liquidi a temperature più elevate può avere una migliore permeabilità all'idrogeno rispetto al palladio.

Mentre il gallio liquido ha mostrato grandi promesse come materiale per la separazione dell'idrogeno, creare una membrana funzionante con il metallo si è rivelato impegnativo, ha detto Datta. "Si scopre che i metalli liquidi sono molto reattivi, " disse. "Non puoi mettere il gallio su un supporto di metallo poroso, come ha fatto il professor Ma con il palladio, poiché a temperature più elevate forma rapidamente composti intermetallici che uccidono la permeabilità." Il team ha scoperto che il metallo reagirà anche con una serie di materiali ceramici comunemente usati come supporti nelle membrane di palladio.

Attraverso la modellazione e la sperimentazione, hanno compilato un elenco di materiali, compresi materiali a base di carbonio come grafite e carburo di silicio, che non reagiscono chimicamente con il gallio liquido ma che sono anche bagnabili dal metallo liquido, il che significa che il metallo si allargherà formando un film sottile sul materiale di supporto.

Consapevoli che la tensione superficiale dei metalli liquidi potrebbe cambiare in risposta alle variazioni di temperatura e alla composizione dei gas a cui sono stati esposti, potenzialmente produrre perdite, hanno deciso di inserire il metallo tra due strati di materiale di supporto per creare una membrana di metallo liquido a sandwich o SLiMM. Una membrana costituita da uno strato sottile (due decimi di millimetro) di gallio liquido tra uno strato di carburo di silicio e uno strato di grafite, è stato costruito in laboratorio e testato per stabilità e permeabilità all'idrogeno.

La membrana è stata esposta a un'atmosfera di idrogeno per due settimane a temperature comprese tra 480 e 550 gradi C. I risultati hanno mostrato che il film di gallio liquido era fino a 35 volte più permeabile all'idrogeno di uno strato comparabile di palladio e che la diffusione dell'idrogeno attraverso la membrana a sandwich era considerevolmente più alta di quella di una tipica membrana di palladio. Il test ha anche mostrato che le membrane erano selettive, lasciando passare solo l'idrogeno.

"Questi test hanno confermato le nostre ipotesi secondo cui i metalli liquidi potrebbero essere candidati idonei per le membrane di separazione dell'idrogeno, "Datta ha detto, "suggerendo che questi materiali potrebbero essere il sostituto a lungo cercato del palladio. Ci sono una serie di domande che devono ancora trovare una risposta, incluso se le piccole membrane che abbiamo costruito in laboratorio possono essere ridimensionate e se le membrane saranno resistenti alle sostanze presenti nei gas riformati (inclusi monossido di carbonio e zolfo) che sono noti per avvelenare le membrane di palladio.

"Ma dimostrando la fattibilità delle membrane di metallo liquido a sandwich, abbiamo aperto le porte a una nuova area molto promettente di ricerca sull'energia dell'idrogeno, "Datta ha aggiunto, "perché ci sono molti altri metalli e leghe, oltre il gallio, che sono liquidi a 500 gradi C. È un vasto campo aperto, in termini di quali materiali potresti utilizzare. Anche, pone una serie di interessanti questioni scientifiche."