La conduttività protonica σ rappresenta una proprietà cruciale delle membrane a scambio protonico, essenziale per l’efficacia delle celle a combustibile. Questa conduttività è un fattore determinante nella valutazione degli elettroliti utilizzati nelle celle a combustibile, rendendola la caratteristica primaria da considerare nel processo di selezione delle membrane.
Definizione e funzione della membrana a scambio protonico
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Una membrana a scambio protonico, o PEM (acronimo di Proton Exchange Membrane), viene impiegata in numerosi contesti, tra cui le celle a combustibile ad idrogeno. Questa tecnologia risale agli anni ’60, quando fu sviluppata dalla General Electric grazie al contributo di Thomas Grubb e Leonard Niedrach.
Il ruolo principale di tali membrane è quello di permettere il passaggio esclusivo degli ioni idrogeno al catodo, mentre bloccano la fuga di elettroni, molecole di idrogeno e acqua. Per garantire un funzionamento ottimale delle celle a combustibile, è fondamentale che queste membrane presentino un’elevata conduttività protonica, essenziale per il passaggio selettivo dei protoni.
Tecniche per la misurazione della conduttività protonica
La conduttività protonica viene comunemente misurata attraverso la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), un metodo usato per analizzare il comportamento di sistemi elettrochimici complessi. Questa tecnica utilizza una cella elettrochimica composta da uno o più elettrodi, tra cui l’elettrodo di lavoro e il controelettrodo, insieme a un potenziostato/galvanostato e un analizzatore di risposta in frequenza.
Per misurare correttamente la conduttività, si impiega generalmente una cella a quattro elettrodi, che permette di studiare il trasporto ionico attraverso le membrane. Le misurazioni possono avvenire in un ambiente umido al 100% di umidità relativa e varieranno a seconda della temperatura. La conduttività protonica, espressa in (Ω·cm)-1, si calcola in base alla resistenza misurata, utilizzando l’equazione: σ = l/RA, dove l è la distanza tra gli elettrodi, R indica la resistenza della membrana e A è l’area della sezione trasversale.
Meccanismi di trasporto dei protoni
La conduttività protonica delle membrane elettrolitiche polimeriche è influenzata da diversi fattori, come il contenuto di acqua, il peso equivalente e la temperatura. Il trasporto di protoni riveste un’importanza centrale in vari processi biochimici ed elettrochimici, e avviene attraverso due meccanismi principali: il meccanismo di Grotthuss e la migrazione di protoni idrati.
Il meccanismo di Grotthuss, nome che deriva dal pioniere della teoria dell’elettrolisi Theodor Grotthuss, è considerato il metodo di trasporto protonico più efficace. Esso prevede il trasferimento di protoni tra catene di molecole ospiti attraverso reazioni che avvengono nei legami a idrogeno, facilitato dallo ione idronio (H3O+), il quale si muove in modo coordinato con molecole d’acqua.
Innovazioni nelle membrane a scambio protonico
Recentemente, i Metal-Organic Framework (MOF) si sono rivelati potenti materiali per migliorarne la conduttività protonica grazie alla loro porosità e stabilità chimica. Queste strutture offrono la possibilità di integrare proprietà progettate che possono ottimizzare l’ingresso di varie molecole, sia organiche che inorganiche.
Un’altra innovazione riguarda i polimeri scheletrici organici metallici porosi, in grado di soddisfare le esigenze di conduttività nelle celle a combustibile. Inoltre, la modifica post-sintetica consente di ottimizzare le proprietà funzionali dei MOF, ampliando così le loro applicazioni nel settore energetico.
Il Nafion, un noto ionomero perfluorocarbonico, rappresenta la membrana di riferimento nel campo delle celle a combustibile. La sua efficienza stempera, tuttavia, in condizioni di bassa umidità, il che ha spinto la ricerca verso materiali alternativi e metodi di sintesi più efficaci. Approcci come l’integrazione con nanofibre potrebbero rivelarsi promettenti, contribuendo a migliorare la stabilità e la resistente chimica delle membrane attuali.
