Gli scienziati della Stanford University hanno progettato un meccanismo elettrocatalitico che funziona come un polmone di mammifero per convertire l'acqua in carburante. La loro ricerca, pubblicato il 20 dicembre sulla rivista Joule , potrebbe aiutare le attuali tecnologie per l'energia pulita a funzionare in modo più efficiente.

L'atto di inspirare ed espirare è così automatico per la maggior parte degli organismi che potrebbe essere scambiato per semplice, ma il processo respiratorio dei mammiferi è in realtà uno dei sistemi più sofisticati per lo scambio di gas a due vie che si trovano in natura. Con ogni respiro, l'aria si muove attraverso il minuscolo, bronchioli simili a passaggi dei polmoni fino a raggiungere minuscole sacche chiamate alveoli. Da li, il gas deve passare nel flusso sanguigno senza semplicemente diffondersi, che provocherebbe la formazione di bolle dannose. È la struttura unica degli alveoli, inclusa una membrana spessa micron che respinge le molecole d'acqua all'interno mentre le attrae sulla superficie esterna, che impedisce la formazione di queste bolle e rende lo scambio di gas altamente efficiente.

Gli scienziati del laboratorio dell'autore senior Yi Cui presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della Stanford University hanno tratto ispirazione da questo processo per sviluppare elettrocatalizzatori migliori:materiali che aumentano la velocità di una reazione chimica a un elettrodo. "Le tecnologie per l'energia pulita hanno dimostrato la capacità di una rapida erogazione di gas reagenti all'interfaccia di reazione, ma il percorso inverso - l'efficiente evoluzione del prodotto gassoso dall'interfaccia catalizzatore/elettrolita - rimane impegnativo, "dice Jun Li, il primo autore dello studio.

Il meccanismo del team imita strutturalmente l'alveolo ed esegue due diversi processi per migliorare le reazioni che guidano le tecnologie sostenibili come le celle a combustibile e le batterie metallo-aria.

Il primo processo è analogo all'espirazione. Il meccanismo divide l'acqua per produrre gas idrogeno, un carburante pulito, ossidando le molecole d'acqua nell'anodo di una batteria riducendole nel catodo. Il gas ossigeno (insieme al gas idrogeno) viene prodotto e trasportato rapidamente attraverso un sottile, membrana alveolare in polietilene, senza i costi energetici della formazione di bolle.

Il secondo processo è più simile all'inalazione e genera energia attraverso una reazione che consuma ossigeno. L'ossigeno viene erogato al catalizzatore sulla superficie dell'elettrodo, quindi può essere utilizzato come reagente durante le reazioni elettrochimiche.

Sebbene sia ancora nelle prime fasi di sviluppo, il design sembra essere promettente. La membrana in nanopolietilene insolitamente sottile rimane idrofoba più a lungo degli strati convenzionali di diffusione del gas a base di carbonio, e questo modello è in grado di raggiungere tassi di densità di corrente più elevati e un potenziale eccessivo inferiore rispetto ai progetti convenzionali.

Però, questo design ispirato ai polmoni ha ancora qualche margine di miglioramento prima di essere pronto per l'uso commerciale. Poiché la membrana in nanopolietilene è un film a base di polimeri, non può tollerare temperature superiori a 100 gradi Celsius, che potrebbe limitarne le applicazioni. Il team ritiene che questo materiale possa essere sostituito con membrane idrofobe nanoporose simili in grado di resistere a un calore maggiore. Sono anche interessati a incorporare altri elettrocatalizzatori nella progettazione del dispositivo per esplorare appieno le loro capacità catalitiche.

"La struttura che imita la respirazione potrebbe essere accoppiata con molti altri elettrocatalizzatori all'avanguardia, e l'ulteriore esplorazione dell'elettrodo trifase gas-liquido-solido offre interessanti opportunità per la catalisi, "dice Jun Li.