Voitures à pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène, développé par presque tous les grands constructeurs automobiles, sont des véhicules zéro émission idéaux car ils ne produisent que de l'eau comme gaz d'échappement. Cependant, leur fiabilité est limitée car la pile à combustible repose sur une membrane qui ne fonctionne que lorsqu'il y a suffisamment d'eau, limitant les conditions de fonctionnement du véhicule.

Des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh ont découvert que les propriétés inhabituelles du graphane – un polymère bidimensionnel de carbone et d'hydrogène – pourraient former un type de « seau brigade » anhydre qui transporte des protons sans avoir besoin d'eau, potentiellement conduire au développement de piles à combustible à hydrogène plus efficaces pour les véhicules et autres systèmes énergétiques.

Le chercheur principal est Karl Johnson, le professeur William Kepler Whiteford au département de génie chimique et pétrolier de la Swanson School, et l'assistant de recherche diplômé Abhishek Bagusetty est l'auteur principal. Leur travail, "Facile de transport de protons anhydres sur du graphane fonctionnalisé par hydroxyle", a été publié cette semaine dans Lettres d'examen physique . Les techniques de modélisation informatique couplées à l'infrastructure informatique haute performance du Centre de recherche informatique de l'Université leur ont permis de concevoir ce matériau potentiellement révolutionnaire.

Les piles à combustible à hydrogène sont comme une batterie qui peut être rechargée avec de l'hydrogène et de l'oxygène. L'hydrogène pénètre d'un côté de la pile à combustible, où il se décompose en protons (ions hydrogène) et électrons, tandis que l'oxygène pénètre de l'autre côté et est finalement chimiquement combiné avec les protons et les électrons pour produire de l'eau, libérant beaucoup d'énergie.

Au cœur de la pile à combustible se trouve une membrane échangeuse de protons (PEM). Ces membranes dépendent principalement de l'eau pour faciliter la conduction des protons à travers les membranes. Tout fonctionne bien sauf si la température devient trop élevée ou si l'humidité baisse, qui épuise la membrane de l'eau et empêche les protons de migrer à travers la membrane. Le Dr Johnson explique que pour cette raison, il existe un vif intérêt pour le développement de nouveaux matériaux membranaires pouvant fonctionner à des niveaux d'eau très bas, voire en l'absence totale d'eau (anhydre).

« Les PEM dans les piles à combustible à hydrogène d'aujourd'hui sont faites d'un polymère appelé Nafion, qui ne conduit les protons que lorsqu'il a la bonne quantité d'eau dessus, " dit le Dr Johnson. " Trop peu d'eau, la membrane se dessèche et les protons cessent de bouger. Trop et la membrane "se noie" et cesse de fonctionner, semblable à la façon dont vous pourriez inonder un moteur à carburateur avec trop d'essence, " il ajouta.

Le Dr Johnson et son équipe se sont concentrés sur le graphane car, lorsqu'il est fonctionnalisé avec des groupes hydroxyle, il crée un produit plus stable, membrane isolante pour conduire les protons. "Notre modélisation informatique a montré qu'en raison de la structure unique du graphane, il est bien adapté pour conduire rapidement des protons à travers la membrane et des électrons à travers le circuit dans des conditions anhydres, " a déclaré le Dr Johnson. " Cela permettrait aux voitures à pile à combustible à hydrogène d'être un véhicule alternatif plus pratique. "