Già negli anni '30, gli inventori hanno commercializzato le celle a combustibile come fonte di energia versatile. Ora, ricercatori dal Giappone hanno evidenziato l'impressionante chimica di un componente essenziale di una futura tecnologia delle celle a combustibile.

In uno studio recentemente pubblicato su Journal of Physical Chemistry Letters , ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno rivelato il successivo trasporto di protoni - trasferimento di energia - in un cristallo avanzato a base di carbonio per future celle a combustibile, e la chimica che sta alla base di questo fenomeno.

Tali cristalli sono interessanti come elettroliti solidi, mezzi di trasferimento di energia, nelle prossime tecnologie delle celle a combustibile. Gli elettroliti solidi hanno vantaggi, come alta efficienza energetica e stabilità a lungo termine, che mancano ad alcuni elettroliti. Gli elettroliti solidi a base di imidazolo sono obiettivi comuni di studio. I ricercatori ipotizzano che i cristalli di imidazolo idrogeno succinato possano esibire un successivo trasporto di protoni, noto anche come salto protonico. Attualmente, questo non è stato rigorosamente confermato, qualcosa che i ricercatori dell'Università di Tsukuba intendevano affrontare.

"Un'ampia gamma di lavori di laboratorio e simulazioni al computer è coerente con il trasporto unidirezionale di protoni nei cristalli di imidazolo idrogeno succinato, " dice il capo e autore senior dello studio, Professor Yuta Hori. "Poiché questa ipotesi richiede ulteriori verifiche, abbiamo calcolato l'energia molecolare rispetto alla geometria molecolare dei nostri cristalli, e confrontato i nostri risultati con i dati sperimentali."

Per fare questo, i ricercatori hanno studiato strutture cristalline note per indagare su una struttura chimica nota come legami idrogeno. La dinamica dell'idrogeno su questi legami facilita il trasporto di protoni all'interno dei cristalli e può essere caratterizzata sperimentalmente mediante spettroscopia infrarossa.

"I risultati della spettroscopia erano chiari, " spiega Hori. "Abbiamo scoperto che a 100°C, rispetto a 30°C, c'è stato uno spostamento verso un'energia più elevata in un picco che riguarda il trasporto di protoni".

Per di più, i picchi calcolati dai ricercatori, quelli corrispondenti alle unità chimiche che contribuiscono fortemente al legame idrogeno, erano coerenti con i dati sperimentali.

"Abbiamo usato questi risultati per costruire un modello che ha tracciato come un protone viene trasferito da un'unità di imidazolo a un'altra, " dice Hori. "La nostra superficie di energia potenziale calcolata ha fornito dati geometrici ed energetici che sono coerenti con il salto di protoni".

Le celle a combustibile sono oggi utilizzate per alimentare un'ampia gamma di infrastrutture e tecnologie civili, e in genere producono poche emissioni. Migliorare l'utilità delle celle a combustibile in applicazioni più diverse, ottenuti in parte comprendendo come funzionano, contribuirà a ridurre al minimo lo spreco di energia nei prossimi anni.