Carros movidos a hidrogênio movidos a célula de combustível, desenvolvido por quase todos os principais fabricantes de automóveis, são veículos ideais com emissões zero porque produzem apenas água como escapamento. Contudo, sua confiabilidade é limitada porque a célula de combustível depende de uma membrana que só funciona quando há água suficiente, limitar as condições de operação do veículo.

Pesquisadores da Swanson School of Engineering da University of Pittsburgh descobriram que as propriedades incomuns do graphane - um polímero bidimensional de carbono e hidrogênio - podem formar um tipo de "brigada de balde" anidra que transporta prótons sem a necessidade de água, potencialmente levando ao desenvolvimento de células de combustível de hidrogênio mais eficientes para veículos e outros sistemas de energia.

O investigador principal é Karl Johnson, o professor William Kepler Whiteford do Departamento de Engenharia Química e de Petróleo da Swanson School, e o assistente de pesquisa de pós-graduação Abhishek Bagusetty é o autor principal. Trabalho deles, "Facile Anhydrous Proton Transport on Hydroxyl Functionalized Graphane", foi publicado esta semana em Cartas de revisão física . As técnicas de modelagem computacional, juntamente com a infraestrutura computacional de alto desempenho do Centro de Pesquisa em Computação da Universidade, permitiu-lhes projetar este material potencialmente inovador.

As células de combustível de hidrogênio são como uma bateria que pode ser recarregada com hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio entra por um lado da célula de combustível, onde é dividido em prótons (íons de hidrogênio) e elétrons, enquanto o oxigênio entra no outro lado e é quimicamente combinado com os prótons e elétrons para produzir água, liberando uma grande quantidade de energia.

No coração da célula de combustível está uma membrana de troca de prótons (PEM). Essas membranas dependem principalmente de água para auxiliar na condução de prótons através das membranas. Tudo funciona bem, a menos que a temperatura fique muito alta ou a umidade caia, que esgota a membrana de água e impede que os prótons migrem através da membrana. Dr. Johnson explica que por este motivo, há grande interesse no desenvolvimento de novos materiais de membrana que possam operar em níveis de água muito baixos - ou mesmo na ausência completa de água (anidro).

"Os PEMs nas células de combustível de hidrogênio de hoje são feitos de um polímero chamado Nafion, que só conduz prótons quando tem a quantidade certa de água, "diz o Dr. Johnson." Muito pouca água, a membrana seca e os prótons param de se mover. Demais e a membrana "inunda" e para de funcionar, semelhante a como você poderia inundar um motor com carburador com muita gasolina, " ele adicionou.

O Dr. Johnson e sua equipe se concentraram no graphane porque, quando funcionalizado com grupos hidroxila, cria um ambiente mais estável, membrana isolante para conduzir prótons. "Nossa modelagem computacional mostrou que, devido à estrutura única do graphane, é bem adequado para conduzir prótons rapidamente através da membrana e elétrons através do circuito sob condições anidras, "Dr. Johnson disse." Isso permitiria que os carros de célula de combustível de hidrogênio fossem um veículo alternativo mais prático. "