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與傳統(tǒng)電動汽車相比，氫動力汽車的廣泛采用要求燃料電池能夠將氫和氧安全地轉化為水，這是一個嚴重的實施問題。
加州大學博爾德分校的研究人員正在開發(fā)新的計算工具和模型，以更好地理解和管理轉換過程，從而解決這一障礙的一個方面。Hendrik Heinz是化學和生物工程系的副教授，正與洛杉磯加利福尼亞大學合作。他的團隊最近在《科學進步》雜志上發(fā)表了關于這一課題的新發(fā)現(xiàn)。
燃料電池電動汽車將儲氫罐中的氫氣與從空氣中獲取的氧氣結合起來，產生運行所需的電力。它們不需要插上電源充電，還有一個額外的好處，就是產生水蒸氣作為副產品。這些，加上其他因素，使其成為綠色和可再生能源運輸領域一個有趣的選擇。
Heinz說，使這些車輛可行的一個關鍵目標是在燃料電池中找到一種有效的催化劑，這種催化劑可以在安全行駛所需的受控條件下與氧氣一起“燃燒”氫氣。同時，研究人員正在尋找一種能在接近室溫的條件下，在酸性溶液中高效長壽命的催化劑。鉑金屬是常用的，但預測反應和最佳材料用于放大或不同的條件一直是一個挑戰(zhàn)。
“幾十年來，研究人員一直在努力預測這項工作所需的復雜過程，盡管在使用納米板、納米線和許多其他納米結構方面取得了巨大進展，”Heinz說為了解決這個問題，我們開發(fā)了金屬納米結構和氧、水和金屬相互作用的模型，這些模型的精確度超過了目前量子方法的10倍以上。這些模型還能夠包含溶劑和動力學，并揭示了氧表面可及性與氧還原反應中催化活性之間的定量關聯(lián)?！?/span>
Heinz說，他的團隊開發(fā)的定量模擬顯示了氧分子之間的相互作用，因為它們在鉑表面遇到不同的水分子層屏障。這些相互作用決定了后續(xù)反應是慢還是快，需要對其進行控制才能有效地進行。這些反應發(fā)生得相當快——轉化為水大約需要每平方納米一毫秒的時間——并且發(fā)生在一個微小的催化劑表面。所有這些變量都以一種復雜的“舞蹈”形式出現(xiàn)，他的團隊已經找到了一種預測性建模的方法。
Heinz補充說，論文中描述的計算和數(shù)據(jù)密集型方法可以用來創(chuàng)建設計的納米結構，以最大限度地提高催化效率，以及可能的表面修飾，以進一步優(yōu)化燃料電池的成本效益比。他的合作者們正在探索這一方面的商業(yè)意義，他正在應用這些工具來幫助研究更廣泛的潛在合金，并進一步深入了解正在發(fā)揮作用的力學。
他說：“論文中描述的工具，特別是用于數(shù)量級更可靠分子動力學模擬的界面力場，也可以應用于其他催化劑和電催化劑界面，取得類似的突破性和實際有用的進展?！薄?/span>
