Vätgasdrivna bränslecellbilar, utvecklad av nästan alla större biltillverkare, är idealiska nollutsläppsfordon eftersom de bara producerar vatten som avgaser. Dock, deras tillförlitlighet är begränsad eftersom bränslecellen är beroende av ett membran som bara fungerar när tillräckligt med vatten finns, begränsa fordonets driftsförhållanden.

Forskare vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har funnit att de ovanliga egenskaperna hos grafan-en tvådimensionell polymer av kol och väte-kan bilda en typ av vattenfri "hinkbrigad" som transporterar protoner utan behov av vatten, vilket potentiellt leder till utvecklingen av effektivare vätebränsleceller för fordon och andra energisystem.

Huvudutredaren är Karl Johnson, William Kepler Whiteford -professor vid Swanson Schools institution för kemi- och petroleumteknik, och forskarassistent Abhishek Bagusetty är huvudförfattare. Deras arbete, "Lätt vattenfri protontransport på hydroxylfunktionaliserad grafan", publicerades den här veckan i Fysiska granskningsbrev . Beräkningsmodelleringstekniker i kombination med den högpresterande beräkningsinfrastrukturen vid University's Center for Research Computing gjorde det möjligt för dem att designa detta potentiellt banbrytande material.

Vätebränsleceller är som ett batteri som kan laddas med väte och syre. Vätet kommer in i ena sidan av bränslecellen, där den bryts ner till protoner (vätejoner) och elektroner, medan syre kommer in på andra sidan och i slutändan kombineras kemiskt med protonerna och elektronerna för att producera vatten, släpper ut mycket energi.

I bränslecellens hjärta finns ett protonbytesmembran (PEM). Dessa membran är mestadels beroende av vatten för att underlätta ledningen av protoner över membranen. Allt fungerar bra om inte temperaturen blir för hög eller luftfuktigheten sjunker, som tömmer membranet i vatten och stoppar protonerna från att vandra över membranet. Dr Johnson förklarar att av denna anledning, det finns ett stort intresse för att utveckla nya membranmaterial som kan fungera vid mycket låga vattennivåer - eller till och med i fullständig frånvaro av vatten (vattenfritt).

"PEM i dagens vätebränsleceller är gjorda av en polymer som kallas Nafion, som bara leder protoner när den har rätt mängd vatten på den, "säger Dr Johnson." För lite vatten, membranet torkar ut och protoner slutar röra sig. För mycket och membranet "översvämmer" och slutar fungera, liknande hur du kan översvämma en förgasad motor med för mycket bensin, " han lade till.

Dr Johnson och hans team fokuserade på grafan eftersom det, när det funktionaliserades med hydroxylgrupper, skapar en mer stabil, isolerande membran för att leda protoner. "Vår beräkningsmodellering visade att på grund av grafans unika struktur, det är väl lämpligt att snabbt leda protoner över membranet och elektroner över kretsen under vattenfria förhållanden, "Dr Johnson sa." Detta skulle göra det möjligt för vätebränslecellbilar att vara ett mer praktiskt alternativt fordon. "