waterstof aangedreven brandstofcelauto's, ontwikkeld door bijna elke grote autofabrikant, zijn ideale emissievrije voertuigen omdat ze alleen water als uitlaatgassen produceren. Echter, hun betrouwbaarheid is beperkt omdat de brandstofcel vertrouwt op een membraan dat alleen functioneert als er voldoende water aanwezig is, de bedrijfsomstandigheden van het voertuig beperken.

Onderzoekers van de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh hebben ontdekt dat de ongebruikelijke eigenschappen van grafaan - een tweedimensionaal polymeer van koolstof en waterstof - een soort watervrije "emmerbrigade" kunnen vormen die protonen transporteert zonder dat er water nodig is, mogelijk leidend tot de ontwikkeling van efficiëntere waterstofbrandstofcellen voor voertuigen en andere energiesystemen.

De hoofdonderzoeker is Karl Johnson, de William Kepler Whiteford Professor in de afdeling Chemical &Petroleum Engineering van de Swanson School, en afgestudeerde onderzoeksassistent Abhishek Bagusetty is de hoofdauteur. Hun werk, "Gemakkelijk watervrij protontransport op hydroxyl-gefunctionaliseerd grafaan", werd deze week gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Computationele modelleringstechnieken in combinatie met de krachtige rekeninfrastructuur van het University's Centre for Research Computing stelden hen in staat om dit potentieel baanbrekende materiaal te ontwerpen.

Waterstofbrandstofcellen zijn als een batterij die kan worden opgeladen met waterstof en zuurstof. De waterstof komt één kant van de brandstofcel binnen, waar het wordt afgebroken tot protonen (waterstofionen) en elektronen, terwijl zuurstof de andere kant binnenkomt en uiteindelijk chemisch wordt gecombineerd met de protonen en elektronen om water te produceren, veel energie vrijmaken.

In het hart van de brandstofcel bevindt zich een protonenuitwisselingsmembraan (PEM). Deze membranen zijn meestal afhankelijk van water om te helpen bij de geleiding van protonen door de membranen. Alles werkt goed, tenzij de temperatuur te hoog wordt of de luchtvochtigheid daalt, die het membraan van water uitput en voorkomt dat de protonen over het membraan migreren. Dr. Johnson legt uit dat om deze reden, er is grote belangstelling voor de ontwikkeling van nieuwe membraanmaterialen die kunnen werken bij zeer lage waterstanden, of zelfs in de volledige afwezigheid van water (watervrij).

"PEM's in de waterstofbrandstofcellen van vandaag zijn gemaakt van een polymeer genaamd Nafion, die alleen protonen geleidt als er de juiste hoeveelheid water op zit, " zegt Dr. Johnson. "Te weinig water, het membraan droogt uit en protonen stoppen met bewegen. Te veel en het membraan "overstroomt" en stopt met werken, vergelijkbaar met hoe je een motor met carburateur kunt overspoelen met te veel benzine, " hij voegde toe.

Dr. Johnson en zijn team concentreerden zich op grafaan omdat het, wanneer het wordt gefunctionaliseerd met hydroxylgroepen, een stabieler, isolerend membraan om protonen te geleiden. "Onze computationele modellering toonde aan dat vanwege de unieke structuur van grafaan, het is zeer geschikt om onder watervrije omstandigheden protonen snel over het membraan en elektronen over het circuit te geleiden, "Zei Dr. Johnson. "Dit zou waterstof-brandstofcelauto's in staat stellen een praktischer alternatief voertuig te zijn."