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研究人员开发更高效的氢气动力汽车

Cu博尔德的研究人员通过开发更好地理解和管理氢气动力车辆的转换过程所需的新计算工具和模型来解决该障碍的一个方面。

作者:Josh Rhoten 7月5日,2021年
礼貌:Cu Boulder

在传统电动车上广泛采用氢气动力车辆需要燃料电池,可以将氢气和氧气安全地转化为水 - 一个严重的实施问题。

研究人员特写博尔德在讲话通过开发新的计算工具和模型来更好地理解和管理转换过程,该障碍的一个方面。亨德里克海因茨是化学和生物工程系的副教授,是与加州大学洛杉矶合作的努力。他的团队最近发表了关于这个主题的新发现科学进步。

燃料电池电动车辆将罐中的氢与空气中取出的氧气相结合,以产生运行所需的电力。它们不需要插入充电,并具有生产水蒸气作为副产物的增加的益处。那些加上其他因素,使他们在绿色和可再生能源运输领域进行了有趣的选择。

亨氏说,使这些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,这种催化剂可以在安全行驶所需的受控条件下与氧气一起“燃烧”氢气。同时,研究人员正在寻找一种能在接近室温的条件下,在酸性溶液中高效长寿命的催化剂。铂金属是常用的,但预测反应和最佳材料用于放大或不同的条件一直是一个挑战。

“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,尽管在使用纳米板、纳米线和许多其他纳米结构方面取得了巨大进展,”亨氏说为了解决这个问题,我们开发了金属纳米结构和氧、水和金属相互作用的模型,这些模型的精确度超过了目前量子方法的10倍以上。这些模型还能够包含溶剂和动力学,并揭示了氧表面可及性与氧还原反应中催化活性之间的定量关联。”

海因茨说,他的团队开发的定量模拟显示了氧分子之间的相互作用,因为它们在铂表面遇到不同的水分子层屏障。这些相互作用决定了后续反应是慢还是快,需要对其进行控制才能有效地进行。这些反应发生得相当快——转化为水大约需要每平方纳米一毫秒的时间——并且发生在一个微小的催化剂表面。所有这些变量都以一种复杂的“舞蹈”形式出现,他的团队已经找到了一种预测性建模的方法。

工程与电解质接触的铂电极的原子尺度表面特征有助于吸引氧气并更快地转化为水。在反应前在蓝色中突出了强烈氧的氧分子。礼貌:Cu Boulder

工程与电解质接触的铂电极的原子尺度表面特征有助于吸引氧气并更快地转化为水。在反应前在蓝色中突出了强烈氧的氧分子。礼貌:Cu Boulder

本文中描述的计算和数据密集型方法可用于创建将最大化催化效率的设计者 - 纳米结构,以及可能的表面改性,以进一步优化Heinz的燃料电池的成本效益比。他的合作者正在探索这种方面的商业意蕴,他正在申请工具,帮助研究更广泛的潜在合金,并在游戏中进一步了解机械师。

他说:“论文中描述的工具,特别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,取得类似的突破性和实际有用的进展。”。


乔希·罗滕
作者简介:Josh Rhoten,通信专家,研究,Cu Boulder