與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車相比，氫動(dòng)力汽車的廣泛采用要求燃料電池能夠?qū)浜脱醢踩剞D(zhuǎn)化為水，這是一個(gè)嚴(yán)重的實(shí)施問題。

加州大學(xué)博爾德分校的研究人員正在開發(fā)新的計(jì)算工具和模型，以更好地理解和管理轉(zhuǎn)換過程，從而解決這一障礙的一個(gè)方面。Hendrik Heinz是化學(xué)和生物工程系的副教授，正與洛杉磯加利福尼亞大學(xué)合作。他的團(tuán)隊(duì)最近在《科學(xué)進(jìn)步》雜志上發(fā)表了關(guān)于這一課題的新發(fā)現(xiàn)。

燃料電池電動(dòng)汽車將儲(chǔ)氫罐中的氫氣與從空氣中獲取的氧氣結(jié)合起來，產(chǎn)生運(yùn)行所需的電力。它們不需要插上電源充電，還有一個(gè)額外的好處，就是產(chǎn)生水蒸氣作為副產(chǎn)品。這些，加上其他因素，使其成為綠色和可再生能源運(yùn)輸領(lǐng)域一個(gè)有趣的選擇。

Heinz說，使這些車輛可行的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是在燃料電池中找到一種有效的催化劑，這種催化劑可以在安全行駛所需的受控條件下與氧氣一起“燃燒”氫氣。同時(shí)，研究人員正在尋找一種能在接近室溫的條件下，在酸性溶液中高效長(zhǎng)壽命的催化劑。鉑金屬是常用的，但預(yù)測(cè)反應(yīng)和最佳材料用于放大或不同的條件一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

“幾十年來，研究人員一直在努力預(yù)測(cè)這項(xiàng)工作所需的復(fù)雜過程，盡管在使用納米板、納米線和許多其他納米結(jié)構(gòu)方面取得了巨大進(jìn)展，”Heinz說為了解決這個(gè)問題，我們開發(fā)了金屬納米結(jié)構(gòu)和氧、水和金屬相互作用的模型，這些模型的精確度超過了目前量子方法的10倍以上。這些模型還能夠包含溶劑和動(dòng)力學(xué)，并揭示了氧表面可及性與氧還原反應(yīng)中催化活性之間的定量關(guān)聯(lián)。”

Heinz說，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的定量模擬顯示了氧分子之間的相互作用，因?yàn)樗鼈冊(cè)阢K表面遇到不同的水分子層屏障。這些相互作用決定了后續(xù)反應(yīng)是慢還是快，需要對(duì)其進(jìn)行控制才能有效地進(jìn)行。這些反應(yīng)發(fā)生得相當(dāng)快——轉(zhuǎn)化為水大約需要每平方納米一毫秒的時(shí)間——并且發(fā)生在一個(gè)微小的催化劑表面。所有這些變量都以一種復(fù)雜的“舞蹈”形式出現(xiàn)，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一種預(yù)測(cè)性建模的方法。

Heinz補(bǔ)充說，論文中描述的計(jì)算和數(shù)據(jù)密集型方法可以用來創(chuàng)建設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高催化效率，以及可能的表面修飾，以進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池的成本效益比。他的合作者們正在探索這一方面的商業(yè)意義，他正在應(yīng)用這些工具來幫助研究更廣泛的潛在合金，并進(jìn)一步深入了解正在發(fā)揮作用的力學(xué)。

他說：“論文中描述的工具，特別是用于數(shù)量級(jí)更可靠分子動(dòng)力學(xué)模擬的界面力場(chǎng)，也可以應(yīng)用于其他催化劑和電催化劑界面，取得類似的突破性和實(shí)際有用的進(jìn)展。”。