科学家开发新工具以协助氢动力汽车开发工作并提高效率

摘要:

据外媒报道,若想要氢动力汽车得到广泛采用需要用到燃料电池,这种电池可以将氢和氧安全地转化为水。现在,来自科罗拉多大学博尔德分校的研究人员正在开发新的计算工具和模型以便更好地理解和管理转换过程进而解决这一障碍的一个方面。

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化学与生物工程系副教授Hendrik Heinz正在跟加州大学洛杉矶分校合作领导这项研究。他的团队最近在《Science Advances》上发表了关于这一课题的新发现。

燃料电池汽车将氢跟空气中的氧气结合在一起进而产生运行所需的电力。它们不需要充电,还能产生副产品水蒸气。这些再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选择。

Heinz指出,让这种汽车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,其可以在安全行驶所需的可控条件下“燃烧”氢和氧。与此同时,研究人员正在寻找一种催化剂,这种催化剂可以在接近室温的条件下完成这项工作,并且在酸性溶液中效率高、使用寿命长。铂是常用的金属,但预测反应和最佳材料以用于放大或不同的条件一直是一个挑战。

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“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,尽管在使用纳米板、纳米线和许多其他纳米结构方面已经取得了巨大的进展,”Heinz说道,“为了解决这个问题,我们已经开发了金属纳米结构和氧、水和金属相互作用的模型,其准确性超过当前量子方法的10倍以上。该模型还能包含溶剂和动力并揭示氧对表面的可及性和氧还原反应的催化活性之间的定量相关性。”

Heinz指出,他的团队开发的定量模拟显示了氧分子遇到铂表面水分子层不同障碍时的相互作用。这些相互作用决定了后续反应是慢还是快,另外还需要对过程进行有效控制。这些反应发生得非常快--转化成水需要每平方纳米约1毫秒的时间--且发生在微小的催化剂表面。所有这些变量结合在一起形成了一种复杂的“舞蹈”,Heinz的团队已经找到了一种预测方式来建模的方法。

Heinz补充称,论文中描述的计算和数据密集型方法可以用来创建设计纳米结构从而最大限度地提高催化效率以及可能的表面修饰,这样起到进一步优化燃料电池成本效益比的目的。他的合作者则正在探索这方面的商业意义,他自己正在将这些工具应用起来以帮助对更广泛的潜在合金展开研究并进一步了解其中的机制。

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