Les piles à combustible à hydrogène offrent une source d'énergie continue intéressante pour les applications distantes, des engins spatiaux aux stations météorologiques éloignées. L'efficacité de la pile à combustible diminue à mesure que la membrane Nafion, utilisé pour séparer l'anode et la cathode dans une pile à combustible, gonfle au contact de l'eau.

Une collaboration russe et australienne vient de montrer que cette membrane séparatrice Nafion déroule partiellement certaines de ses fibres constitutives, qui dépassent ensuite de la surface dans la phase aqueuse en vrac sur des centaines de microns.

L'équipe de recherche était dirigée par un groupe en Russie avec le professeur australien Barry Ninham de l'Université nationale australienne de Canberra, un spécialiste de premier plan en science des colloïdes et des interfaces. Leurs résultats ont été publiés cette semaine dans The Journal de physique chimique .

L'équipe de recherche a commencé ce projet pour examiner une hypothèse proposée qui attribuait un nouvel état de l'eau pour expliquer le gonflement de la membrane de Nafion. Au lieu, ils sont les premiers à décrire la croissance de fibres polymères s'étendant à partir de la surface de la membrane lorsqu'elle interagit avec l'eau. Le nombre de fibres augmente en fonction de la concentration en deutérium de l'eau.

"Pour mieux comprendre ces membranes, nous avions besoin de décrire l'interaction au niveau moléculaire de l'eau deutérée avec le polymère, " a déclaré Bunkin. "Maintenant que nous connaissons la structure de la 'zone d'exclusion', nous pouvons adapter la structure de Nafion et ses propriétés électriques en étudiant les changements induits par les effets spécifiques aux ions (Hofmeister) sur son organisation et sa fonction."

Nafion est la membrane échangeuse de protons à oxyde d'hydrogène disponible dans le commerce la plus performante utilisée à ce jour dans les piles à combustible. Sa nature poreuse permet une concentration importante de la solution électrolytique tout en séparant l'anode de la cathode, qui permet le flux d'électrons produisant de l'énergie dans la pile à combustible.

Les chercheurs ont découvert que la membrane est particulièrement sensible à la teneur en deutérium de l'eau ambiante en dénouant la structure de la surface. Les fibres polymères s'étendent de la membrane dans l'eau. L'effet est le plus prononcé dans l'eau avec une teneur en deutérium comprise entre 100 et 1, 000 parties par million.

Pour cette étude, l'équipe a développé une instrumentation laser spécialisée (spectroscopie UV photoluminescente) pour caractériser les fibres polymères le long de l'interface membrane-eau. Bien que les fibres individuelles n'aient pas été observées directement en raison de la limitation spatiale de l'instrumentation, l'équipe a détecté de manière fiable leur excroissance dans l'eau.

"L'importance de ce travail peut fournir une entrée dans certains domaines très fondamentaux de la biologie et de la production d'énergie dont nous n'avions aucune idée, " dit Bunkin.