L'idrogeno, la cui combustione è pulita, non lascia altro che acqua quando viene consumato. Molti paesi vedono l'idrogeno come un modo per avere un futuro a zero emissioni di carbonio, ma il passaggio a un'economia a idrogeno richiede che la sua produzione sia molto più conveniente di quanto non sia ora.
In uno studio pubblicato di recente su Nature Energy, i ricercatori guidati dall'Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) dell'Università di Kyoto descrivono come le membrane composite rinforzate con nanodiamanti possono purificare l'idrogeno dalle sue miscele umide, rendendo i processi di generazione dell'idrogeno molto più efficienti ed economici.
"Esistono diverse metodologie scalabili per produrre idrogeno, ma l'idrogeno generalmente si presenta come miscele umide e la loro purificazione è una sfida", ha affermato il professor Easan Sivaniah, che ha guidato il team iCeMS. "La tecnologia a membrana consente processi di separazione efficienti dal punto di vista energetico ed economici. Ma abbiamo bisogno di avere i giusti materiali di membrana per farlo funzionare", ha aggiunto Sivaniah.
L'ossido di grafene (GO), un derivato idrosolubile della grafite, può essere assemblato per formare una membrana che può essere utilizzata per la purificazione dell'idrogeno. L'idrogeno gassoso passa facilmente attraverso questi filtri, mentre le molecole più grandi si bloccano.
L'idrogeno è tipicamente separato da CO2 o O2 in condizioni molto umide. I fogli GO sono caricati negativamente, il che li induce a respingersi a vicenda. Se esposti all'umidità, i fogli caricati negativamente si respingono a vicenda ancora di più, consentendo alle molecole d'acqua di accumularsi negli spazi tra i fogli GO, portando alla fine alla dissoluzione della membrana.
Il Dr. Behnam Ghalei, che ha co-supervisionato la ricerca, ha spiegato che l'aggiunta di nanodiamanti ai fogli GO risolve il problema della disintegrazione indotta dall'umidità. "I nanodiamanti caricati positivamente possono annullare le repulsioni negative della membrana, rendendo i fogli GO più compatti e resistenti all'acqua".
Il team comprendeva anche altri gruppi di ricerca provenienti dal Giappone e dall'estero. I ricercatori del Japan Synchrotron Radiation Research Institute (SPring-8 / JASRI) hanno condotto studi avanzati a raggi X. L'Institute for Quantum Life Science (QST) ha aiutato con lo sviluppo dei materiali. La ShanghaiTech University (Cina) e la National Central University (Taiwan) sono state coinvolte in caratterizzazioni di materiali all'avanguardia.
"Nella nostra collaborazione con il Dr. Ryuji Igarashi di QST, siamo stati in grado di accedere a nanodiamanti con dimensioni e funzionalità ben definite, senza le quali la ricerca non sarebbe stata possibile", ha affermato Sivaniah. "È importante sottolineare che il gruppo di Igarashi ha una tecnologia brevettata per aumentare la produzione di nanodiamanti a un costo ragionevole in futuro".
Sivaniah afferma che i nanodiamanti hanno potenziali usi oltre la produzione di idrogeno. Il controllo dell'umidità è anche vitale in una serie di altri campi, tra cui prodotti farmaceutici, semiconduttori e produzione di batterie agli ioni di litio. La tecnologia a membrana potrebbe anche rivoluzionare l'aria condizionata rimuovendo in modo efficiente l'umidità. I condizionatori d'aria sono tra i modi più inefficienti per raffreddare, poiché una quantità significativa dell'elettricità utilizzata per alimentarli viene utilizzata per rimuovere l'umidità, generando più emissioni di CO2 e creando una spirale viziosa per il riscaldamento globale.
Il governo giapponese è profondamente impegnato per un futuro a zero emissioni di carbonio. Ha istituito un fondo per l'innovazione verde da 20 miliardi di dollari per sostenere partnership congiunte tra i principali attori del settore e iniziative imprenditoriali che portano nuove tecnologie sul mercato.