Le celle a combustibile sono state a lungo viste come una fonte di energia promettente. Questi dispositivi, inventato nel 1830, generare elettricità direttamente da prodotti chimici, come idrogeno e ossigeno, e producono solo vapore acqueo come emissioni. Ma la maggior parte delle celle a combustibile è troppo costosa, inefficiente, o entrambi.

In un nuovo approccio, ispirato alla biologia e pubblicato oggi (3 ottobre, 2018) sulla rivista Joule , un team dell'Università del Wisconsin-Madison ha progettato una cella a combustibile utilizzando materiali più economici e un composto organico che trasporta elettroni e protoni.

In una cella a combustibile tradizionale, gli elettroni e i protoni dell'idrogeno vengono trasportati da un elettrodo all'altro, dove si combinano con l'ossigeno per produrre acqua. Questo processo converte l'energia chimica in elettricità. Per generare una quantità significativa di carica in un lasso di tempo sufficientemente breve, è necessario un catalizzatore per accelerare le reazioni.

Proprio adesso, il miglior catalizzatore sul mercato è il platino, ma ha un prezzo elevato. Ciò rende le celle a combustibile costose ed è uno dei motivi per cui ci sono solo poche migliaia di veicoli alimentati a idrogeno attualmente sulle strade degli Stati Uniti.

Shannon Stahl, il professore di chimica della UW-Madison che ha guidato lo studio in collaborazione con Thatcher Root, professore di ingegneria chimica e biologica, afferma che i metalli meno costosi possono essere utilizzati come catalizzatori nelle attuali celle a combustibile, ma solo se usato in grandi quantità. "Il problema è, quando si attacca troppo catalizzatore a un elettrodo, il materiale diventa meno efficace, " lui dice, "portando a una perdita di efficienza energetica".

La soluzione del team è stata quella di imballare un metallo a basso costo, cobalto, in un reattore vicino, dove la maggiore quantità di materiale non interferisce con le sue prestazioni. Il team ha quindi ideato una strategia per trasportare elettroni e protoni avanti e indietro da questo reattore alla cella a combustibile.

Il veicolo giusto per questo trasporto si è rivelato un composto organico, chiamato chinone, che può trasportare due elettroni e protoni alla volta. Nella progettazione della squadra, un chinone raccoglie queste particelle dall'elettrodo della cella a combustibile, li trasporta al vicino reattore riempito con un economico catalizzatore di cobalto, e poi torna alla cella a combustibile per prelevare più "passeggeri".

Molti chinoni si degradano in una sostanza simile al catrame dopo solo pochi viaggi di andata e ritorno. il laboratorio di Stahl, però, progettato un derivato chinone ultra-stabile. Modificandone la struttura, la squadra ha drasticamente rallentato il deterioramento del chinone. Infatti, i composti che hanno assemblato durano fino a 5, 000 ore:un aumento della durata di oltre 100 volte rispetto alle precedenti strutture chinoniche.

"Anche se non è la soluzione finale, il nostro concetto introduce un nuovo approccio per affrontare i problemi in questo campo, " afferma Stahl. Osserva che la produzione di energia del suo nuovo design produce circa il 20 percento di ciò che è possibile nelle celle a combustibile a idrogeno attualmente sul mercato. D'altra parte, il sistema è circa 100 volte più efficace delle celle a biocombustibile che utilizzano navette organiche correlate.

Il prossimo passo per Stahl e il suo team è aumentare le prestazioni dei mediatori del chinone, consentendo loro di trasportare gli elettroni in modo più efficace e produrre più energia. Questo progresso consentirebbe al loro design di eguagliare le prestazioni delle celle a combustibile convenzionali, ma con un prezzo più basso.

"L'obiettivo finale di questo progetto è fornire all'industria opzioni prive di carbonio per la creazione di elettricità, "dice Colin Anson, ricercatore post-dottorato nel laboratorio Stahl e coautore di pubblicazioni. "L'obiettivo è scoprire di cosa ha bisogno l'industria e creare una cella a combustibile che riempia quel buco".

Questo passo nello sviluppo di un'alternativa più economica potrebbe alla fine essere un vantaggio per aziende come Amazon e Home Depot che già utilizzano celle a combustibile a idrogeno per guidare i carrelli elevatori nei loro magazzini.

"Nonostante i grandi ostacoli, l'economia dell'idrogeno sembra crescere, "aggiunge Stahl, "Un passo alla volta."