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Le membrane utilizzate nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori sono determinanti per l’efficienza, la durata e l’economicità della produzione e dell’utilizzo dell’idrogeno. Tali membrane sono spesso realizzate con ceramiche speciali, per le quali non è ancora stato studiato in modo esaustivo il rapporto tra il comportamento degli ioni idrogeno (i protoni) e la struttura del materiale. Un gruppo di ricerca dell’Empa si occuperà di approfondire questa questione, con l’obiettivo di migliorare la conduttività dei materiali utilizzati.
Secondo il gruppo di ricerca guidato da Artur Braun, responsabile del Laboratorio di ceramica ad alte prestazioni, i conduttori di protoni devono soddisfare soprattutto due requisiti: devono assorbire il maggior numero possibile di protoni e questi ultimi devono potersi muovere nel materiale con la massima libertà possibile. «Si può immaginare la membrana ceramica come un paesaggio attraversato da strade. I protoni si muovono su queste strade come automobili», afferma Braun nel comunicato stampa dell’Empa. Più auto circolano sulle strade, più il traffico si intasa. «Un’autostrada a più corsie per i protoni, sulla quale le cariche fluiscono senza ostacoli in entrambe le direzioni, è l’ideale», spiega. Secondo l’Empa, le membrane protoniche attualmente in uso assomigliano piuttosto a un terreno impervio, che i protoni attraversano faticosamente lungo sentieri stretti.
Ma a differenza dei paesaggi geografici, i reticoli cristallini delle membrane ceramiche sono mutevoli. In un precedente lavoro, il team di Braun è riuscito a dimostrare che la conduttività protonica nelle ceramiche altamente conduttive è variabile. Allo stesso tempo, il team dell’Empa ha anche dimostrato che il trasporto dei protoni nei conduttori ceramici è strettamente accoppiato alle vibrazioni del reticolo cristallino – e che i protoni incorporati nel reticolo possono a loro volta modificare tali vibrazioni.
Per comprendere meglio questo effetto, nel loro attuale progetto i ricercatori si stanno concentrando su un materiale che conduce male i protoni. L’ossido di lantanio-cerio (LCO) è in grado di assorbire molti protoni, ma non li trasmette. Questo presunto svantaggio, come si legge nel comunicato stampa, offre ai ricercatori l’opportunità di studiare gli effetti della struttura del materiale sulla conduttività protonica. Oltre all’analisi strutturale cristallografica ad alta risoluzione con i neutroni, il team utilizza nuovi metodi presso grandi impianti di ricerca negli Stati Uniti e in Giappone per misurare con precisione le vibrazioni dei reticoli cristallini e verificare sperimentalmente i modelli teorici. Braun è convinto che una comprensione scientifica dei fondamenti della conduttività protonica consentirà di rendere le ceramiche del futuro conduttori di protoni più efficienti.
Comunicato stampa dell'Empa (tedesco)
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