Forskere udvikler værktøj til at hjælpe med udvikling, effektiviteten af ​​brintdrevne biler

Udbredt anvendelse af brintdrevne køretøjer frem for traditionelle elektriske køretøjer kræver brændselsceller, der sikkert kan omdanne brint og ilt til vand - et alvorligt implementeringsproblem.

Forskere ved University of Colorado Boulder adresserer et aspekt af denne vejspærring ved at udvikle nye beregningsværktøjer og modeller, der er nødvendige for bedre at forstå og styre konverteringsprocessen. Hendrik Heinz, lektor ved Institut for Kemi- og Biologisk Teknik, leder indsatsen i samarbejde med University of California Los Angeles. Hans team offentliggjorde for nylig nye resultater om emnet i Videnskabens fremskridt .

Brændselscelle elektriske køretøjer kombinerer brint i en tank med ilt taget fra luften for at producere den elektricitet, der er nødvendig for at køre. De behøver ikke at være tilsluttet for at oplade og har den ekstra fordel, at de producerer vanddamp som et biprodukt. De der, plus andre faktorer, har gjort dem til en spændende mulighed i de grønne og vedvarende energitransportområder.

Heinz sagde, at et nøglemål for at gøre køretøjerne levedygtige er at finde en effektiv katalysator i brændselscellen, der kan "brænde" brinten med ilt under kontrollerede forhold, der er nødvendige for sikker rejse. På samme tid, forskere leder efter en katalysator, der kan gøre dette ved nær stuetemperatur, med høj effektivitet og lang levetid i sur opløsning. Platinmetal er almindeligt anvendt, men at forudsige reaktionerne og de bedste materialer, der skal bruges til opskalering eller forskellige forhold, har hidtil været en udfordring.

"I årtier, forskere har kæmpet for at forudsige de komplekse processer, der er nødvendige for dette arbejde, selvom der er gjort enorme fremskridt ved at bruge nanoplader, nanotråde og mange andre nanostrukturer, " sagde Heinz. "For at løse dette, vi har udviklet modeller for metal nanostrukturer og oxygen, vand- og metalinteraktioner, der overstiger nøjagtigheden af ​​nuværende kvantemetoder med mere end 10 gange. Modellerne muliggør også inklusion af opløsningsmidlet og dynamik og afslører kvantitative sammenhænge mellem oxygentilgængelighed til overfladen og katalytisk aktivitet i oxygenreduktionsreaktionen."

Heinz sagde, at de kvantitative simuleringer, som hans team udviklede, viser interaktionen mellem oxygenmolekyler, når de støder på forskellige barrierer af molekylære lag af vand på platinoverfladen. Disse interaktioner gør forskellen mellem en langsom eller hurtig efterreaktion og skal kontrolleres, for at processen kan fungere effektivt. Disse reaktioner sker ret hurtigt - omdannelsen til vand tager omkring et millisekund pr. kvadratnanometer at fuldføre - og sker på en lille katalysatoroverflade. Alle disse variable kommer sammen i en indviklet, kompleks "dans", som hans team har fundet en måde at modellere på på forudsigelige måder.

De beregningsmæssige og datatunge metoder beskrevet i papiret kan bruges til at skabe designer-nanostrukturer, der vil maksimere den katalytiske effektivitet, samt mulige overflademodifikationer for yderligere at optimere cost-benefit-forholdet for brændselsceller, Heinz tilføjede. Hans samarbejdspartnere undersøger den kommercielle implikation af dette aspekt, og han anvender værktøjerne til at hjælpe med at studere en bredere vifte af potentielle legeringer og få yderligere indsigt i mekanikken på spil.

"De værktøjer, der er beskrevet i papiret, især grænsefladekraftfeltet til mere pålidelige simuleringer af molekylær dynamik af størrelsesorden, kan også anvendes til andre katalysator- og elektrokatalysatorgrænseflader til lignende banebrydende og praktisk nyttige fremskridt, " han sagde.