研究人员开发工具以帮助氢动力汽车的开发和效率

与传统电动汽车相比，氢动力汽车的广泛采用需要能够将氢和氧安全地转化为水的燃料电池——这是一个严重的实施问题。

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员正在通过开发更好地理解和管理转换过程所需的新计算工具和模型来解决这一障碍的一个方面。化学与生物工程系副教授 Hendrik Heinz 正在与加州大学洛杉矶分校合作领导这项工作。他的团队最近在《科学进展》上发表了关于该主题的新发现。

燃料电池电动汽车将罐中的氢气与空气中的氧气结合起来，产生运行所需的电力。它们不需要插入充电，并且具有产生水蒸气作为副产品的额外好处。这些，加上其他因素，使它们成为绿色和可再生能源运输领域的一个有趣的选择。

Heinz 说，使车辆可行的一个关键目标是在燃料电池中找到一种有效的催化剂，该催化剂可以在安全行驶所需的受控条件下将氢气与氧气“燃烧”。与此同时，研究人员正在寻找一种可以在接近室温的条件下实现这一目标、在酸性溶液中具有高效率和长寿命的催化剂。铂金属是常用的，但迄今为止，预测用于放大或不同条件的反应和最佳材料一直是一个挑战。

“几十年来，研究人员一直在努力预测这项工作所需的复杂过程，尽管使用纳米板、纳米线和许多其他纳米结构已经取得了巨大进展，”海因茨说。“为了解决这个问题，我们开发了金属纳米结构与氧、水和金属相互作用的模型，其精度超过当前量子方法的 10 倍以上。这些模型还能够包含溶剂和动力学，并揭示氧之间的定量相关性氧还原反应中的表面可及性和催化活性。"

Heinz 说，他的团队开发的定量模拟显示了氧分子之间的相互作用，因为它们遇到了铂表面上水分子层的不同屏障。这些相互作用决定了后续反应的缓慢或快速，并且需要对其进行控制以使该过程有效地工作。这些反应发生得非常快——转化为水大约需要每平方纳米一毫秒才能完成——并且发生在一个微小的催化剂表面上。所有这些变量在错综复杂的“舞蹈”中结合在一起，他的团队已经找到了一种以预测方式进行建模的方法。

Heinz 补充说，论文中描述的计算和数据密集型方法可用于创建设计纳米结构，最大限度地提高催化效率，以及可能的表面改性，以进一步优化燃料电池的成本效益比。他的合作者正在探索这方面的商业影响，他正在应用这些工具来帮助研究更广泛的潜在合金，并进一步深入了解正在发挥作用的力学。

“论文中描述的工具，尤其是用于数量级更可靠分子动力学模拟的界面力场，也可以应用于其他催化剂和电催化剂界面，以获得类似的开创性和实际有用的进展，”他说。

这项工作由美国国家科学基金会资助。其他合作伙伴包括科罗拉多大学博尔德分校的 Argonne Leadership Computing Facility 和 Research Computing。