L'Università di Manchester scopre la permeabilità del grafene ai protoni

I ricercatori dell'Università di Manchester compiono un'importante scoperta legata al grafene che altera la comprensione di una delle sue proprietà chiave, ovvero la presunta impermeabilità a gas e liquidi. Il gruppo di ricercatori, coordinato dal premio Nobel Andre Geim, insignito dell'onoreficienza proprio per la scoperta del grafene, ha infatti osservato sia il grafene, sia il nitruro di boro esagonale (hBN) permettono il passaggio di protoni a determinate condizioni

La scoperta di questo comportamento può portare alla realizzazione di batterie a celle di combustibile dalla maggior efficienza e la semplificazione del processo di separazione del gas idrogeno, fino ad ora difficoltoso, per l'uso come combustibile proprio nelle celle.

Come detto, fino ad ora il grafene ha mostrato una particolare impermeabilità a gas e liquidi: anche un piccolo atomo come quello dell'idrogeno impiegherebbe miliardi di anni per attraversare la densa nuvola elettronica del grafene. E' questa impermeabilità che lo ha reso attraente per l'impiego nelle membrane di separazione dei gas.

Ma Geim ed i colleghi hanno scoperto che monostrati di grafene e di nitruro di boro sono permeabili quando trattati con particelle di platino e in elevate condizioni di temperatura. Gli atomi di idrogeno privati dei loro elettroni possono quindi passare attraverso al materiale dello spessore di un atomo.

La scoperta sta a significare che questi materiali potrebbero essere impiegati nelle membrane a conduzione protonica (note anche come membrane di scambio) che sono fondamentali per il funzionamento delle celle a combustibile: queste ultime infatti operano grazie ad una serie di reazioni chimiche che coinvolgono idrogeno e ossigeno, generando energia elettrica. Le membrane impiegate nelle celle a combustibile sono impermeabili all'ossigeno e all'idrogeno, consentendo però il passaggio di protoni.

Proprio le batterie a celle di combustibile con membrana di scambio protonico sono considerate essere quelle maggiormente adatte per l'impiego nelle automobili elettriche. Le membrane a base polimerica che sono state usate fino ad ora soffrono però di crossover di combustibile, che limita la loro efficienza e longevità.

Il grafene e l'hBN potrebbero quindi essere impiegati per realizzare una membrana più sottile e dalla maggior efficienza, grazie alla riduzione del problema di crossover di carburante e di contaminazione delle celle. Il risultato finale potrebbe dare alle batterie a celle di combustibile quella spinta tecnologica necessaria a trasformare l'idrogeno in una alternativa percorribile rispetto ai carburanti fossili.

Un'altra prospettiva interessante messa in luce da questa scoperta è la possibilità di impiegare questi materiali per estrarre idrogeno da un'atmosfera ricca di umidità. Questa eventuale applicazione potrebbe rappresentare una svolta molto importante sul percorso che ci porta verso la cosiddetta economia dell'idrogeno.

Uno degli aspetti svantaggiosi, ad oggi, delle batterie a celle di combustibile per un possibile impiego in un'automobile elettrica è rappresentato dal processo costoso ed energicamente dispendioso per isolare il gas idrogeno. I passi avanti nel mondo dei nanomateriali hanno permesso di mettere a punto una tecnica di fotosintesi artificiale (dove quindi viene impiegata la luce invece dell'energia elettrica) per poter estrarre l'idrogeno da una molecola d'acqua e un altro materiale bidimensionale, il solfuro di molibdeno, è stato impiegato come catalizzatore per produrre idrogeno in un processo solare di sintesi dell'acqua.

In realtà la scoperta del gruppo di ricercatori coordinato da Geim suggerisce una possibile applicazione di portata ben più ampia: sulla base di questa ricerca diventa concettualmente possibile combinare la produzione di idrogeno con le celle di combustibile stesse, realizzando quindi un generatore elettrico (anche portatile/trasportabile) alimentato dall'idrogeno presente nell'aria.

"E' un allestimento molto semplice quando sai come dovrebbe funzionare. Si mette un gas che contiene idrogeno da una parte, si applica una piccola corrente elettrica e si raccoglie idrogeno in purezza dall'altra parte, che può essere usato in una cella a combustibile" ha dichiarato Marcelo Lozada-Hidalgo, dottorando e autore della pubblicazione su Nature. "Abbiamo usato piccole membrane ed il flusso di idrogeno che abbiamo ottenuto è piccolo di conseguenza. Ma si tratta della fase iniziale della scoperta, e la pubblicazione ha lo scopo di diffondere la conoscenza delle prospettive esistenti. La costruzione di un collettore di idrogeno richiederà molto più lavoro".