Utbredd användning av vätgasdrivna fordon framför traditionella elfordon kräver bränsleceller som kan omvandla väte och syre på ett säkert sätt till vatten – ett allvarligt implementeringsproblem.

Forskare vid University of Colorado Boulder tar upp en aspekt av den vägspärren genom att utveckla nya beräkningsverktyg och modeller som behövs för att bättre förstå och hantera konverteringsprocessen. Hendrik Heinz, en docent vid Institutionen för kemi- och biologisk teknik, leder arbetet i samarbete med University of California Los Angeles. Hans team publicerade nyligen nya rön om ämnet i Vetenskapens framsteg .

Elfordon med bränsleceller kombinerar väte i en tank med syre som tas från luften för att producera den elektricitet som behövs för att köras. De behöver inte vara anslutna för att ladda och har den extra fördelen att de producerar vattenånga som en biprodukt. De där, plus andra faktorer, har gjort dem till ett spännande alternativ i transportområdena för grön och förnybar energi.

Heinz sa att ett viktigt mål för att göra fordonen livskraftiga är att hitta en effektiv katalysator i bränslecellen som kan "bränna" vätgas med syre under kontrollerade förhållanden som behövs för säker resa. På samma gång, forskare letar efter en katalysator som kan göra detta vid nära rumstemperatur, med hög effektivitet och lång livslängd i sur lösning. Platinametall används ofta, men att förutsäga reaktionerna och de bästa materialen att använda för uppskalning eller olika förhållanden har hittills varit en utmaning.

"I årtionden, forskare har kämpat för att förutsäga de komplexa processer som behövs för detta arbete, även om enorma framsteg har gjorts med hjälp av nanoplattor, nanotrådar och många andra nanostrukturer, " sa Heinz. "För att ta itu med detta, vi har utvecklat modeller för metall nanostrukturer och syre, vatten- och metallinteraktioner som överstiger noggrannheten hos nuvarande kvantmetoder med mer än 10 gånger. Modellerna möjliggör också inkludering av lösningsmedlet och dynamik och avslöjar kvantitativa korrelationer mellan syretillgänglighet till ytan och katalytisk aktivitet i syrereduktionsreaktionen."

Heinz sa att de kvantitativa simuleringar som hans team utvecklade visar interaktionen mellan syremolekyler när de möter olika barriärer av molekylära lager av vatten på platinaytan. Dessa interaktioner gör skillnaden mellan en långsam eller snabb följdreaktion och måste kontrolleras för att processen ska fungera effektivt. Dessa reaktioner sker ganska snabbt - omvandlingen till vatten tar ungefär en millisekund per kvadratnanometer att slutföra - och sker på en liten katalysatoryta. Alla dessa variabler samlas i en komplicerad, komplex "dans" som hans team har hittat ett sätt att modellera på prediktiva sätt.

De beräknings- och dataintensiva metoder som beskrivs i artikeln kan användas för att skapa designer-nanostrukturer som skulle maximera den katalytiska effektiviteten, samt eventuella ytmodifieringar för att ytterligare optimera kostnads-nyttoförhållandet för bränsleceller, Heinz tillade. Hans medarbetare undersöker den kommersiella innebörden av den aspekten, och han använder verktygen för att hjälpa till att studera ett bredare spektrum av potentiella legeringar och få ytterligare insikter om mekaniken som är på gång.

"De verktyg som beskrivs i tidningen, speciellt gränssnittskraftfältet för mer tillförlitliga simuleringar av molekylär dynamik av storleksordning, kan också appliceras på andra katalysator- och elektrokatalysatorgränssnitt för liknande banbrytande och praktiskt användbara framsteg, " han sa.