Rinnovati investimenti in tecnologie e infrastrutture per le celle a combustibile a idrogeno da parte di aziende come Amazon; nazioni come la Cina; e case automobilistiche come Toyota, Honda, e Hyundai, stanno suscitando vendite e un nuovo interesse per le vaste possibilità delle celle a combustibile a elettrolita polimerico. Il nuovo interesse potrebbe rivoluzionare i trasporti e riempire le strade di veicoli il cui unico emissario è il vapore acqueo.

Ma quella visione di pulito, auto e camion ecologici è ostacolato dalla necessità non solo di massicci investimenti in infrastrutture, ma per processi più efficienti nelle cellule stesse. Innovazioni che abbassano il costo di produzione, il che significa un prezzo dell'adesivo più basso, e che aprono la porta a più segmenti di veicoli, comprese le auto ad alte prestazioni, potrebbe favorire una maggiore adozione.

Un team di ricercatori della NYU Tandon School of Engineering, guidato da Miguel Modestino, professore di ingegneria chimica e biomolecolare, e il Lawrence Berkeley National Laboratory ha creato un nuovo materiale polimerico con il potenziale per risolvere entrambi i problemi.

La ricerca, "Ionomeri di acido solfonico perfluorurato altamente permeabili per dispositivi elettrochimici migliorati:approfondimenti sulle relazioni struttura-proprietà, " pubblicato in Giornale della Società Chimica Americana , si concentra su un materiale ibrido che fornisce abbondanti quantità di ossigeno dall'atmosfera ai siti di reazione degli elettrodi della cella, generando più energia, riducendo al contempo la quantità di materiali costosi come il platino necessari nelle celle a combustibile, potenzialmente risolvendo una grande sfida del settore.

Le celle a combustibile a idrogeno comprendono un anodo e un catodo, con una membrana elettrolitica tra di loro. L'elettricità viene prodotta in un processo in cui l'idrogeno reagisce nell'anodo e l'ossigeno atmosferico nel catodo. In quest'ultimo sito, i protoni si combinano con l'ossigeno per produrre elettricità e acqua. I polimeri conduttori di ioni (ionomeri) vengono utilizzati per portare i protoni nei siti di reazione dove l'ossigeno dell'aria deve permeare attraverso di essi per guidare la reazione che genera elettricità.

Attuale, ionomeri disponibili in commercio sono tipicamente polimeri di acido solfonico perfluorurato (PFSA) che comprendono uno scheletro a catena lineare composto da matrice di politetrafluoroetilene (PTFE), e gruppi di acido solfonico pendenti attaccati allo scheletro di PTFE che impartiscono conduttività ionica. Mentre questa complessa combinazione, molecolarmente simile al Teflon, conferisce elevata resistenza meccanica, la ricerca mostra che soffre di bassa permeabilità all'ossigeno, portando a significative perdite di energia nelle celle a combustibile.

I ricercatori, tra cui Yoshi Okamoto, professore di ingegneria chimica e direttore del Polymer Research Institute presso la NYU Tandon, e dottorato di ricerca studente Adlai Katzenberg, che ha svolto la ricerca nell'ambito di una borsa di studio del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha risolto diversi problemi contemporaneamente scambiando le catene polimeriche lineari di PTFE con una catena fluorurata voluminosa, che ha aggiunto più volume libero alla matrice, migliorando notevolmente la sua capacità di trasportare ossigeno nelle celle a combustibile.

Modestino spiega che il materiale ibrido comprende un polimero conduttore di ioni e una matrice altamente permeabile. "Abbiamo creato un nuovo copolimero:due componenti legati insieme. Una parte conduce ioni, e l'altro è altamente permeabile all'ossigeno, " dice. "Okamoto aveva lavorato su polimeri altamente permeabili per i processi di separazione dei gas. Quando sono entrato alla NYU Tandon, ci siamo resi conto che i polimeri che aveva sviluppato potevano essere adattati per migliorare le celle a combustibile".