Coches de pila de combustible propulsados ​​por hidrógeno, desarrollado por casi todos los principales fabricantes de automóviles, son vehículos ideales de cero emisiones porque solo producen agua como escape. Sin embargo, su confiabilidad es limitada porque la celda de combustible se basa en una membrana que solo funciona cuando hay suficiente agua presente, limitando las condiciones de funcionamiento del vehículo.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han descubierto que las propiedades inusuales del grafano, un polímero bidimensional de carbono e hidrógeno, podrían formar un tipo de "brigada de cubos" anhidra que transporta protones sin necesidad de agua. potencialmente conduciendo al desarrollo de pilas de combustible de hidrógeno más eficientes para vehículos y otros sistemas de energía.

El investigador principal es Karl Johnson, el profesor William Kepler Whiteford en el Departamento de Ingeniería Química y del Petróleo de la Escuela Swanson, y el asistente de investigación graduado Abhishek Bagusetty es el autor principal. Su trabajo, "Transporte fácil de protones anhidros en grafano funcionalizado con hidroxilo", fue publicado esta semana en Cartas de revisión física . Las técnicas de modelado computacional junto con la infraestructura computacional de alto rendimiento en el Centro de Investigación en Computación de la Universidad les permitieron diseñar este material potencialmente innovador.

Las celdas de combustible de hidrógeno son como una batería que se puede recargar con hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno entra por un lado de la pila de combustible, donde se descompone en protones (iones de hidrógeno) y electrones, mientras que el oxígeno entra por el otro lado y finalmente se combina químicamente con los protones y electrones para producir agua, liberando una gran cantidad de energía.

En el corazón de la pila de combustible hay una membrana de intercambio de protones (PEM). Estas membranas dependen principalmente del agua para ayudar en la conducción de protones a través de las membranas. Todo funciona bien a menos que la temperatura suba demasiado o baje la humedad, que agota la membrana de agua y evita que los protones migren a través de la membrana. El Dr. Johnson explica que por esta razón, Existe un gran interés en desarrollar nuevos materiales de membrana que puedan operar a niveles de agua muy bajos, o incluso en ausencia total de agua (anhidra).

"Los PEM de las pilas de combustible de hidrógeno actuales están hechos de un polímero llamado Nafion, que solo conduce protones cuando tiene la cantidad correcta de agua, "dice el Dr. Johnson." Muy poca agua, la membrana se seca y los protones dejan de moverse. Demasiado y la membrana se "inunda" y deja de funcionar, similar a cómo se puede inundar un motor con carburador con demasiada gasolina, "añadió.

El Dr. Johnson y su equipo se centraron en el grafano porque cuando se funcionaliza con grupos hidroxilo crea una estructura más estable, membrana aislante para conducir protones. "Nuestro modelo computacional mostró que debido a la estructura única de graphane, Es muy adecuado para conducir rápidamente protones a través de la membrana y electrones a través del circuito en condiciones anhidras. El Dr. Johnson dijo:"Esto permitiría que los coches de pila de combustible de hidrógeno fueran un vehículo alternativo más práctico".