Una delle più promettenti tecnologie per l'energia pulita è appena migliorata. I ricercatori dell'Università del Delaware hanno sviluppato il più potente, componenti delle celle a combustibile con membrana a scambio di idrossido durevole su record, che hanno recentemente descritto sulla rivista Energia della natura . L'ingrediente chiave? Membrane costituite da polimeri di poli(aril piperidinio).

Le celle a combustibile funzionano convertendo l'energia chimica in elettricità, e sono una promettente fonte di energia per i veicoli ecologici. Sul mercato esistono già alcuni veicoli a celle a combustibile, compresa la Toyota Mirai, la Honda Clarity e la Hyundai Nexo, e più auto a celle a combustibile sono in fase di sviluppo in tutto il mondo. Le celle a combustibile nelle automobili richiedono l'uso di un costoso materiale catalizzatore, solitamente platino, per accelerare le reazioni chimiche all'interno. Queste sono chiamate celle a combustibile a scambio di membrana protonica, e contengono membrane in materiale polimerico fluorurato.

Per quasi due decenni, Yushan Yan, Illustre Professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, ha lavorato per sviluppare celle a combustibile che non richiedono catalizzatori al platino e impiegano invece metalli più economici, come argento o nichel. Queste celle a combustibile contengono membrane a scambio di idrossido, che spostano l'ambiente all'interno delle celle a combustibile da acido, lo standard attuale, ad alcalino. La membrana della cella a combustibile è ciò che determina il pH all'interno.

"Possiamo rendere i componenti molto più economici passando da celle a combustibile con membrana a scambio protonico a celle a combustibile con membrana a scambio di idrossido, " disse Yan. Per fare queste membrane, Yan ha cercato di sviluppare in modo ottimale, materiali scalabili. Per questo progetto, Yan ha arruolato l'esperienza di un altro esperto di elettrochimica all'UD, Bingjun Xu, professore assistente di ingegneria chimica e biomolecolare.

I polimeri a scambio di idrossido sono costituiti da una lunga catena, o spina dorsale, e una catena laterale con uno ione caricato positivamente, o cazione. Nel lavoro passato di Yan, le catene laterali utilizzate nelle membrane a scambio di idrossido contenevano cationi positivi molto grandi, che li rendeva stabili ma ne ostacolava la conduttività. Il materiale della spina dorsale, d'altra parte, era poco costoso, ma non sufficientemente stabile.

"La domanda era:come si crea un nuovo polimero che sia stabile sia per il catione organico che per lo scheletro allo stesso tempo, con un piccolo catione?" disse Yan.

Utilizzando polimeri di poli(aril piperidinio), il team ha sviluppato membrane a scambio di idrossido e ionomeri con proprietà favorevoli, compresa una buona conduttività ionica, stabilità chimica, robustezza meccanica, separazione dei gas e solubilità selettiva. Quando il team ha testato questi materiali in un sistema con solo una piccolissima quantità di platino, le celle a combustibile alimentate ad aria avevano una densità di potenza di picco di 920 milliwatt per centimetro quadrato e funzionavano in modo stabile ad una densità di corrente di 500 milliampere per centimetro quadrato per 300 ore in aria a 95 gradi Celsius.

Queste sono le migliori statistiche di potenza e stabilità finora per una membrana a scambio di idrossido a oltre 90 gradi Celsius e il più vicino possibile alle 5000 ore di funzionamento che sarebbero necessarie per utilizzare questa tecnologia in un'auto.

Il team ha sviluppato una famiglia di polimeri, rendendo questa tecnologia versatile. "Ci sono molte manopole che possiamo girare per fornire proprietà diverse, " ha detto Yan. "Questa è una piattaforma tecnologica".

Il primo autore del documento è il ricercatore Junhua Wang, che lavora a questo progetto dal 2011. "Per fare questa scoperta, doveva essere molto paziente, " ha detto Yan. "È uno scienziato meraviglioso, molto creativo e diligente."