Celle a combustibile: università giapponese fa un grosso passo avanti nella loro efficienza con il grafene

La cella a combustibile è vista come una alternativa ai motori a combustione interna. Una cella a combustibile è un dispositivo che permette di ottenere energia elettrica direttamente da certe sostanze, tipicamente da idrogeno e ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica. La reazione che avviene all’interno della cella è la seguente:

2H2 + O2 -> 2H2O + energia elettrica + calore

L’idrogeno e l’ossigeno sono introdotti rispettivamente all’anodo e al catodo della cella, dove sono separati da un elettrolita che consente il passaggio degli ioni. Gli elettrodi sono rivestiti da un catalizzatore che facilita la reazione. All’anodo, l’idrogeno si divide in protoni e elettroni, i quali fluiscono attraverso un circuito esterno generando una corrente elettrica. All’ossigeno, invece, si combinano i protoni che attraversano l’elettrolita e gli elettroni che arrivano dal circuito, formando acqua come prodotto finale. Il formarsi di grosse molecole di idrocarburi è un grosso problema per questo tipo di sistema di generazione.

Un gruppo di ricerca dell’Università di Tsukuba ha sviluppato con successo un nuovo metodo in grado di prevenire il formarsi di grandi molecole di carburante e di sopprimere il degrado degli elettrodi nella tecnologia avanzata delle celle a combustibile che utilizzano metanolo o acido formico.

Come appare la membrana a grafene a livello microscopicoPer realizzare la neutralità del carbonio, è aumentata la richiesta di sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile dirette a metanolo/acido formico. In questa tecnologia, il metanolo o l’acido formico vengono utilizzati come e-carburante per generare elettricità. Le celle a combustibile generano elettricità attraverso il trasferimento di protoni; tuttavia, le membrane a scambio protonico convenzionali soffrono del “fenomeno del crossover”, in cui le molecole di combustibile vengono trasferite anche tra anodi e catodi. In questa modalità, le molecole di carburante vengono ossidate inutilmente e gli elettrodi si disattivano.

Il “setacciamento” delle molecole combustibili e la riduzione delle loro dimensioni viene ottenuto tramite un sottile strato di grafene che permette il passaggio selettivo dei protoni secondo quelle che sono le necessità della reazione. 

Il rapporto di ricerca “Suppression of Metanolo and Formiate Crossover through Sulfanilic Functionalized Holey Graphene as Proton Exchange Membranes” è stato pubblicato sulla rivista Advanced Science.

In questo studio, i ricercatori hanno sviluppato una nuova membrana a scambio protonico composta da fogli di grafene con fori di 5-10 nm di diametro, modificati chimicamente con gruppi funzionali sulfanilici che creano gruppi sulfo intorno ai fori. Grazie all’ostacolo sterico dei gruppi funzionali, la membrana di grafene è riuscita a sopprimere il fenomeno del crossover bloccando la penetrazione delle molecole di carburante e mantenendo al contempo un’elevata conduttività protonica, per la prima volta secondo le conoscenze del team.

Finora, gli approcci convenzionali per inibire la migrazione delle molecole di carburante prevedevano l’aumento dello spessore della membrana o il sandwich di materiali bidimensionali, che a loro volta riducevano la conduttività protonica. In questo studio, i ricercatori hanno analizzato le strutture che inibiscono la migrazione delle molecole di carburante attraverso la resistenza elettro-osmotica e gli ostacoli sterici. Hanno così scoperto che la membrana di grafene funzionalizzata con solfanilico può sopprimere notevolmente il degrado dell’elettrodo rispetto alle membrane di Nafion disponibili in commercio, mantenendo la conduttività protonica necessaria per le celle a combustibile.

Inoltre, il semplice incollaggio della membrana di grafene su una membrana convenzionale a scambio protonico può sopprimere il fenomeno del crossover. Questo studio contribuisce quindi allo sviluppo di celle a combustibile avanzato come nuova alternativa alle celle a combustibile a idrogeno.

Con questa scoperta si fa un grande passo avanti a livello di efficienza delle celle di combustibile, che, in questo modo, vengono ad essere efficienti ed una valida alternativa ai sistemi a combustione.