I ricercatori dell’Università di Nagoya, Giappone, hanno sviluppato una nuova membrana elettrolitica polimerica di acido solfonico dalle caratteristiche tali da poter essere impiegata in una nuova generazione di celle a combustibile ad alta efficienza. In una pila a combustibile con membrana a scambio protonico l’energia elettrica viene generata grazie alla reazione chimica fra idrogeno e ossigeno.
L’esempio più noto di membrana elettrolitica polimerica (PEM è l’acronimo in lingua inglese, Proton Exchange Membrane) è a oggi il Nafion sviluppato dalla DuPont più di mezzo secolo fa: basato su un polimero di acido perfluorosolfonico, esso presenta buona caratteristiche di conduttività di protoni nel tipico range operativo di queste batterie, compreso fra i 70 e i 90 centigradi.
Più agevolmente i protoni scorrono all’interno della batteria, maggiori saranno le prestazioni
In tale tipologia di membrane la conduttività è legata al meccanismo di passaggio dei protoni fra gruppi di acido solfonico e le molecole d’acqua: più la densità dei gruppi di acido solfonico nella membrana è elevata maggiore è la densità dei protoni che potranno venire rilasciati dai gruppi di acido solfonico. Con una maggiore densità dei gruppi di acido solfonico si ottiene di conseguenza una conduttività protonica più elevata.
Ma attraverso i processi di sintesi convenzionali risulta problematico ottenere PEM con un’elevata densità di gruppi di acido solfonico, richiedendo per esempio una reazione di solfonazione condotta per lunghe ore o in condizioni estreme facendo uso di sostanze altamente ossidanti quali l’acido solforico o clorosolfonico.
Le pile a combustibile con membrana a scambio protonico sono più piccole e leggere delle pile a combustibile oggi comunemente in uso
Il procedimento include tuttavia reazioni collaterali indesiderate come la scissione delle catene principali del polimero, per evitare le quali le PEM attualmente in commercio posseggono invece una bassa densità di gruppi di acido solfonico, tipicamente non superiore a 1,0 mEq/g (milliequivalenti per grammo).
Nella nuova ricerca il professor Atsushi Noro con i colleghi dell’Università di Nagoya presenta i risultati dello sviluppo di una PEM a base di acido poli(stirenesolfonico) in grado di vantare un’altissima densità di gruppi di acido solfonico, 5 mEq/g (il quintuplo di una PEM tipicamente in uso oggi).
Batterie più efficienti sono fondamentali in settori quali la mobilità elettrica, verso l’obiettivo zero emissioni
Il Siemens a metro è un’unità di misura della conducibilità: più è elevato, più agevolmente e quindi efficientemente scorre la corrente elettrica. Nella nuova membrana esso risulta pari a 0,93 S/cm, ovvero almeno sei volte superiore rispetto ai comuni Nafion (0,15 S/cm) o Selemion (0,091 S/cm) in identiche condizioni di misurazione.
Lo studio getta le basi per lo sviluppo e la produzione di PEM ad alte prestazioni: grazie all’affinamento e all’ottimizzazione dei risultati sperimentali, la prossima generazione di membrane potrà raggiungere una conduttività di 0,1 S/cm o superiore nelle tipiche condizioni operative all’interno di una pila a combustibile, particolarmente severe, costituendo un significativo contributo verso l’obiettivo zero emissioni di carbonio.
Riferimento: Synthesis of a Cross-Linked Polymer Electrolyte Membrane with an Ultra-High Density of Sulfonic Acid Groups di Katsumi Sato, Takato Kajita e Atsushi Noro, 19 aprile 2023, ACS Applied Polymer Materials.
