隨著氫動力汽車的應(yīng)用范圍越來越高于傳統(tǒng)電動汽車，燃料電池面臨著一個重要的應(yīng)用問題，即需要能夠?qū)浜脱醢踩剞D(zhuǎn)化為水。

 

據(jù)外媒報道，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員開發(fā)出全新的計算工具和模型，可以更好地理解和管理轉(zhuǎn)換過程，從而解決上述問題的一個方面。此項(xiàng)研究由化學(xué)與生物工程系副教授Hendrik Heinz領(lǐng)導(dǎo)，并與加州大學(xué)洛杉磯分校合作進(jìn)行。

 

（圖片來源：Science Advances）

 

燃料電池電動汽車通過將儲罐中的氫氣與從空氣中提取的氧氣相結(jié)合，產(chǎn)生動力從而推動汽車，因此無需插電，且其副產(chǎn)品僅有水。上述優(yōu)勢以及其他因素使得燃料電池電動汽車在綠色和可再生能源運(yùn)輸領(lǐng)域非常具有吸引力。

 

Heinz表示：“燃料電池電動汽車實(shí)現(xiàn)可行的關(guān)鍵是為燃料電池找到一種有效的催化劑，從而可在安全行駛所需的受控條件下使氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)。同時，研究人員還在尋找一種可在室溫環(huán)境下作用的催化劑，不僅效率高，且在酸性溶液中也能具有較長的壽命。目前，鉑金屬是常見的催化劑。但截至目前，預(yù)測反應(yīng)和最佳材料，從而用于擴(kuò)大規(guī)模和不同條件，仍然十分具有挑戰(zhàn)性。

 

Heinz表示：“幾十年來，盡管通過使用納米板、納米線和許多其他納米結(jié)構(gòu)已取得巨大進(jìn)展，但研究人員仍一直在努力預(yù)測這項(xiàng)工作所需的復(fù)雜過程。為了解決這個問題，我們開發(fā)出金屬納米結(jié)構(gòu)和氧、水和金屬相互作用的模型，其精度是當(dāng)前量子方法的10多倍。這些模型還能夠包含溶劑和動力性，并揭示出一種定量相關(guān)性，即表面氧的可獲得性和氧化還原反應(yīng)中的催化劑活性之間的關(guān)系。”

 

Heinz稱其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的定量模擬可以顯示出在遇到鉑表面水分子層的不同障礙時，氧分子之間的相互作用。這些相互作用會使慢速或快速后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生不同，并需要控制反應(yīng)過程從而進(jìn)行有效工作。這些反應(yīng)速度很快，一平方納米的水轉(zhuǎn)化僅需一毫秒即可完成，且反應(yīng)場所僅為一個微小的催化劑表面。所有變量會以一種錯綜復(fù)雜的“舞蹈”形式組合在一起，而這種“舞蹈”就是該研究團(tuán)隊(duì)以預(yù)測方式建模的方法。

 

Heinz補(bǔ)充說，研究使用的計算和數(shù)據(jù)密集型方法可用于創(chuàng)建設(shè)計師納米結(jié)構(gòu)（designer-nanostructures），最大限度地提高催化效率，以及可能的表面改性，以進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池的成本效益比。