Le celle a combustibile a idrogeno offrono un'interessante fonte di energia continua per applicazioni remote, dai veicoli spaziali alle stazioni meteorologiche remote. L'efficienza delle celle a combustibile diminuisce man mano che la membrana Nafion, utilizzato per separare l'anodo e il catodo all'interno di una cella a combustibile, si gonfia quando interagisce con l'acqua.

Una collaborazione russa e australiana ha ora dimostrato che questa membrana separatrice Nafion svolge parzialmente alcune delle sue fibre costituenti, che poi sporgono dalla superficie nella fase acquosa sfusa per centinaia di micron.

Il team di ricerca è stato guidato da un gruppo in Russia insieme al professore australiano Barry Ninham dell'Australian National University di Canberra, uno specialista leader nella scienza dei colloidi e delle interfacce. I loro risultati sono stati pubblicati questa settimana su The Giornale di Fisica Chimica .

Il team di ricerca ha iniziato questo progetto per esaminare un'ipotesi proposta che attribuisse un nuovo stato dell'acqua per spiegare il rigonfiamento della membrana di Nafion. Anziché, sono i primi a descrivere la crescita delle fibre polimeriche che si estendono dalla superficie della membrana mentre interagisce con l'acqua. Il numero di fibre aumenta in funzione della concentrazione di deuterio nell'acqua.

"Per aumentare la nostra comprensione di queste membrane, avevamo bisogno di descrivere l'interazione a livello molecolare dell'acqua deuterata con il polimero, " ha detto Bunkin. "Ora che conosciamo la struttura della 'zona di esclusione', possiamo adattare la struttura di Nafion e le sue proprietà elettriche studiando i cambiamenti indotti da effetti ione-specifici (Hofmeister) sulla sua organizzazione e funzione."

Nafion è la membrana a scambio protonico ossido di idrogeno più performante disponibile in commercio utilizzata fino ad oggi nelle celle a combustibile. La sua natura porosa consente una concentrazione significativa della soluzione elettrolitica durante la separazione dell'anodo dal catodo, che consente il flusso di elettroni producendo energia nella cella a combustibile.

I ricercatori hanno scoperto che la membrana è particolarmente sensibile al contenuto di deuterio nell'acqua dell'ambiente, non tessendo la struttura della superficie. Le fibre polimeriche si estendono dalla membrana nell'acqua. L'effetto è più pronunciato in acqua con contenuto di deuterio tra 100 e 1, 000 parti per milione.

Per questo studio, il team ha sviluppato una strumentazione laser specializzata (spettroscopia UV fotoluminescente) per caratterizzare le fibre polimeriche lungo l'interfaccia membrana-acqua. Sebbene le singole fibre non siano state osservate direttamente a causa della limitazione spaziale della strumentazione, il team ha rilevato in modo affidabile la loro crescita nell'acqua.

"Il significato di questo lavoro potrebbe fornire un'entrata in alcune aree fondamentali della biologia e della produzione di energia di cui non avevamo idea, " ha detto Bunkin.