Auto a celle a combustibile alimentate a idrogeno, sviluppato da quasi tutte le principali case automobilistiche, sono veicoli a zero emissioni ideali perché producono solo acqua come scarico. Però, la loro affidabilità è limitata perché la cella a combustibile si basa su una membrana che funziona solo quando è presente abbastanza acqua, limitando le condizioni di esercizio del veicolo.

I ricercatori della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh hanno scoperto che le proprietà insolite del grafano - un polimero bidimensionale di carbonio e idrogeno - potrebbero formare un tipo di "brigata a secchiello" anidro che trasporta protoni senza bisogno di acqua, potenzialmente portando allo sviluppo di celle a combustibile a idrogeno più efficienti per veicoli e altri sistemi energetici.

L'investigatore principale è Karl Johnson, il William Kepler Whiteford Professor nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Petrolifera della Swanson School, e l'assistente di ricerca laureato Abhishek Bagusetty è l'autore principale. Il loro lavoro, "Trasporto facilitato di protoni anidro su grafane funzionalizzate idrossile", è stato pubblicato questa settimana in Lettere di revisione fisica . Le tecniche di modellazione computazionale, abbinate all'infrastruttura computazionale ad alte prestazioni presso il Centro per l'informatica di ricerca dell'università, hanno permesso loro di progettare questo materiale potenzialmente rivoluzionario.

Le celle a combustibile a idrogeno sono come una batteria che può essere ricaricata con idrogeno e ossigeno. L'idrogeno entra da un lato della cella a combustibile, dove viene scomposto in protoni (ioni idrogeno) ed elettroni, mentre l'ossigeno entra dall'altra parte e alla fine viene combinato chimicamente con i protoni e gli elettroni per produrre acqua, rilasciando una grande quantità di energia.

Il cuore della cella a combustibile è una membrana a scambio protonico (PEM). Queste membrane si basano principalmente sull'acqua per favorire la conduzione dei protoni attraverso le membrane. Tutto funziona bene a meno che la temperatura non si alzi troppo o l'umidità diminuisca, che impoverisce la membrana d'acqua e impedisce ai protoni di migrare attraverso la membrana. Il dottor Johnson spiega che per questo motivo, c'è un vivo interesse nello sviluppo di nuovi materiali per membrane che possano funzionare a livelli d'acqua molto bassi o anche in completa assenza di acqua (anidra).

"I PEM nelle odierne celle a combustibile a idrogeno sono fatti di un polimero chiamato Nafion, che conduce protoni solo quando ha la giusta quantità di acqua su di sé, "dice il dottor Johnson. "Troppa poca acqua, la membrana si asciuga e i protoni smettono di muoversi. Troppo e la membrana si "allaga" e smette di funzionare, simile a come potresti inondare un motore a carburatore con troppa benzina, " Ha aggiunto.

Il Dr. Johnson e il suo team si sono concentrati sul grafano perché quando funzionalizzato con gruppi idrossilici crea un ambiente più stabile, membrana isolante per condurre i protoni. "La nostra modellazione computazionale ha mostrato che a causa della struttura unica del grafano, è adatto per condurre rapidamente protoni attraverso la membrana ed elettroni attraverso il circuito in condizioni anidre, "Ha detto il dottor Johnson. "Ciò consentirebbe alle auto a celle a combustibile a idrogeno di essere un veicolo alternativo più pratico".