På avdelningen för tillämpad kemi vid Chalmers arbetar Anna Martinelli med saker som är både mycket handfasta och ganska abstrakta, på en gång. I grunden handlar det om att utforska och experimentera med protoners rörelse i vätskeliknande material, men i slutänden kan resultatet bli något mer konkret: tåligare och mer effektiva bränsleceller.

När Anna Martinelli växte upp i Italien, tog hennes svenska mamma hem kemi- och tekniklådor och konstmaterial till barnen. Anna och hennes syskon fick måla med fingrarna och göra experiment i källaren.

– Mamma var lärare i grunden och väldigt pedagogisk. Hon lät oss utforska former och färger, använda verktyg och experimentera med tyger. I allt det var den berömda Montessoripedagogiken en röd tråd. Jag tror att det kan ha spelat roll för den forskarbana jag valde till slut. Här gäller det att vara händig!

”Att bli Wallenberg Academy Fellow har gett mig en unik möjlighet att utöka forskargruppen och utveckla mina idéer. Dessutom får jag ett bredare nätverk. Dessutom ger ett flerårigt anslag en kontinuitet. Jag kan fokusera, och veta att fem års anslag är säkrade.”

Behövs material som klarar högre temperaturer

Bränsleceller är ett av framtidens sätt att producera el, bortom olja och andra fossila bränslen. I en bränslecell produceras elektricitet genom vad som kallas en elektrokemisk reaktion. I cellen finns en pluspol och en minuspol – en anod och en katod – skilda från varandra. In i cellen skickas från varsitt håll vätgas och syrgas. När vätgasen möter anoden sker en reaktion som skiljer vätgasens protoner från deras elektroner. De positivt laddade protonerna rör sig genom ett membran i bränslecellen, mot katoden, medan elektronerna rör sig bort genom en yttre krets. I den kretsen produceras alltså elektrisk ström.

När elektroner genom ledningen når fram till bränslecellens andra sida förenas de i en ny reaktion med protonerna och med syrgasen. Restprodukten blir bara vatten och värme. Rent – men inte så effektivt och billigt som det skulle behöva vara för att användas i stor skala.

– Det material som används som membran i dag är oftast en polymer som fylld med vatten blir en bra ledare för protonerna. Men när temperaturen stiger över 80 grader avdunstar vattnet och systemet slutar fungera, eftersom den torra polymeren inte leder protoner. Vi behöver alltså hitta nya material som kan ge bränsleceller som klarar temperaturer över 120 grader, säger Anna Martinelli.

Tillsammans med sina kollegor arbetar hon med alternativ både till själva membranmaterialet och till vattnet i det.

Flytande salter kan ersätta vatten

Som ersättning för vattnet testar de något som kallas jonvätskor. Det är föreningar som i kemisk mening är salter, men som inte är fasta utan flytande vid rumstemperatur. Precis som vatten är jonvätskor bra på att leda både joner och protoner. Men till skillnad från vatten så dunstar jonvätskor inte bort, och deras ledningsförmåga blir till och med bättre vid högre temperaturer.

Vad gäller polymeren så skulle den fortfarande kunna användas som membran tillsammans med jonvätskorna. Men det är ett dyrt material, så Anna Martinelli vill hitta ett alternativ även till det. Hon experimenterar med porös kiseldioxid, med porer i nanoskala som kan designas både till storlek och form.

– Det är inte säkert att det materialet är den bästa lösningen. Men för oss fungerar det som ett modellsystem, ett material där vi kan studera porernas optimala form och kemi för att jonvätskan ska stanna i porerna, och fungera som en bra proton- och jonledare, säger Anna Martinelli.

Ett problem är att jonerna kan binda till porernas väggar, och på så vis bli orörliga. Kanske kan materialet designas så att det inte händer. Eller kanske kan man få något annat att hända, som vore minst lika bra: att protoner ”hoppar” fram genom materialet i ett slags kemisk dominoeffekt. Men det är svårt att åstadkomma.

– Vi ska utveckla det här genom att variera både jonvätskan och membranet. Om vi lyckas lösa alla de olika delproblemen, då har vi hittat nya material som eventuellt kan användas i en bränslecell, säger Anna Martinelli.

Att ta fram nya data är höjdpunkten

Hon och hennes kollegor studerar materialens beteende på atomnivå med flera olika tekniker, bland annat vibrationsspektroskopi och kärnmagnetisk resonans (NMR).

Själv trivs Anna Martinelli allra bäst när hennes forskning levererat nya data, som hon ser bilda mönster i grafer och figurer.

– Det är höjdpunkten i arbetet för mig. Jag har en stark visionär sida, och ofta har jag haft idéer i mitt huvud länge innan jag ser resultaten. Sedan kan jag däremot tappa lite fart. I min inre värld är jag färdig, men då kommer skedet när jag ska skriva artiklar och övertala vetenskapliga redaktörer att jag har hittat något viktigt. Det är mer energikrävande. Därför försöker jag skriva samtidigt som projektet pågår, så att allt känns lite nytt medan jag skriver ner det.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström