Engenheiros desenvolveram uma nova membrana ultrafina que permite que as células de combustível operem com mais eficiência em altas temperaturas, possibilitando o transporte de prótons sem água, superando assim uma limitação fundamental das tecnologias de energia limpa.

A descoberta, relatada na revista Science Advances , poderá expandir o uso de células de combustível nos transportes, na indústria pesada e em futuros sistemas de energia limpa.

As células de combustível convertem energia química diretamente em eletricidade, produzindo água e calor como principais subprodutos. Elas já são utilizadas em veículos movidos a hidrogênio, sistemas de energia de reserva para hospitais e centros de dados, e missões espaciais onde energia leve e confiável é essencial.

No entanto, a maioria dos sistemas atuais depende de membranas que absorvem água, o que limita o desempenho em temperaturas mais altas, onde a eficiência poderia ser melhorada e o projeto do sistema simplificado.

A inovação baseia-se em nanofolhas ultrafinas combinadas com ácido fosfórico nanoconfinado. Os conjuntos convencionais de nanofolhas frequentemente sofrem com o transporte deficiente de prótons entre as camadas, o que limita seu uso prático em dispositivos eletroquímicos.

Uma membrana especialmente projetada, feita de grafeno e nitreto de boro, possibilitou o transporte ultrarrápido de prótons a 250°C e proporcionou uma potência excepcionalmente alta em células de combustível de hidrogênio.

O sistema também apresentou bom desempenho ao usar metanol concentrado como combustível, demonstrando que pode permanecer estável e eficiente mesmo em condições extremas de alta temperatura.

O professor Huanting Wang, do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Universidade Monash e autor correspondente do estudo, afirmou que o trabalho aborda uma barreira de longa data no projeto de membranas para sistemas eletroquímicos de alta temperatura.

"Ao integrar nanoestruturas condutoras de prótons com ácido fosfórico nanoconfinado, criamos uma membrana que mantém o transporte rápido de prótons sem depender de água. Isso permite que as células a combustível operem de forma eficiente em temperaturas muito mais altas do que é possível atualmente", disse o professor Wang.

O primeiro autor do artigo, Kaiqiang He, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química e Biológica, afirmou que o principal avanço reside na combinação de múltiplos mecanismos de transporte de prótons em uma única arquitetura de membrana.

"As nanoestruturas fornecem vias diretas para o transporte de prótons, enquanto o ácido fosfórico confinado permite o salto rápido de prótons. Juntos, esses mecanismos proporcionam alta condutividade e estabilidade em condições secas e de alta temperatura", disse o Dr. He.

Além das células a combustível, a mesma abordagem de design poderia dar suporte a uma gama de tecnologias eletroquímicas, incluindo a eletrólise da água, a redução do dióxido de carbono e a síntese de amônia. De forma mais ampla, oferece uma plataforma para o desenvolvimento de materiais condutores de prótons de próxima geração, integrando nanoestruturas bidimensionais com portadores de prótons nanoconfinados.