L'idrogeno è un vettore energetico sostenibile. L'idrogeno «verde», cioè prodotto con energia rinnovabile, può essere impiegato come accumulatore di energia e combustibile. Per rendere la sua produzione e il suo utilizzo più efficienti, duraturi e convenienti, sono necessari nuovi materiali. Le membrane utilizzate nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori sono determinanti per l'efficienza di tali dispositivi. Queste membrane sono spesso realizzate in ceramiche speciali.
Come esattamente il comportamento degli ioni di idrogeno - i protoni - sia correlato alla struttura del materiale nelle membrane di ceramica non è ancora completamente compreso. In un progetto finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero (FNS), i ricercatori dell'Empa guidati da Artur Braun, responsabile del gruppo di ricerca nel laboratorio di ceramiche ad alte prestazioni, intendo affrontare questa questione insieme a partner di ricerca internazionali.
Braun e il suo team si occupano di conduttori protonici ceramici da 20 anni. I buoni conduttori di protoni devono soddisfare principalmente due requisiti: devono assorbire quanti più protoni possibile, e i protoni devono potersi muovere liberamente nel materiale. Queste due proprietà sono però in contrasto: ottimizzando una, spesso si peggiora l'altra.
Il confronto che Braun fa è «Ci si può immaginare la membrana ceramica come un paesaggio attraversato da strade. I protoni si muovono su queste strade come automobili». Più macchine ci sono su strada, più il traffico si blocca. «Un'autostrada a più corsie per protoni, su cui le cariche possano fluire liberamente in entrambe le direzioni, è un'utopia», spiega. Tuttavia, le attuali membrane per protoni somigliano più a un terreno impervio, che i protoni attraversano faticosamente su stretti sentieri.
A differenza dei paesaggi a noi familiari, i reticoli cristallini delle membrane ceramiche sono dinamici – cioè: variabili. In un lavoro precedente, il team di Braun ha dimostrato che la conducibilità protonica in piastre ceramiche ben conduttive non rimane costante, ma a volte si abbassa, altre volte raggiunge valori massimi. «È come se montagne e valli si livellassero tutto a un tratto. I protoni ottengono per un breve momento una sorta di passaggio libero», spiega Braun. Inoltre, il team dell'Empa ha mostrato che il trasporto di protoni nei conduttori ceramici è strettamente legato alle oscillazioni reticolari del cristallo – e che i protoni inseriti nel reticolo possono modificare le oscillazioni stesse.
Per comprendere meglio questo effetto, i ricercatori del loro attuale progetto non si concentrano su un buon conduttore protonico, ma su uno piuttosto scarso: l'ossido di lantanio e cerio (LCO) può sì assorbire molti protoni, ma non li conduce. «Se un cattivo conduttore di protoni è paragonabile a un ingorgo, nel LCO si verifica un vero e proprio infarto del traffico», dice Braun.
Questo apparente svantaggio offre ai ricercatori un'opportunità unica per studiare l'influenza della struttura del materiale sulla conducibilità protonica. Oltre all'analisi strutturale cristallografica ad alta risoluzione con neutroni presso l'Istituto Paul Scherrer (PSI), il team utilizza nuovi metodi in grandi impianti di ricerca negli Stati Uniti e in Giappone per misurare con precisione le oscillazioni reticolari e verificare sperimentalmente i modelli teorici. «Se comprendiamo le basi scientifiche della conducibilità protonica, possiamo idealmente determinare come le future ceramiche diventeranno migliori conduttori di protoni, consentendo così membrane più efficienti per celle a combustibile ed elettrolizzatori», spiega il fisico.
Contatto:
Dr. Artur Braun
Ceramiche ad alte prestazioni
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch