Исследователи разрабатывают инструмент для помощи в разработке и повышении эффективности водородных автомобилей

Широкое распространение транспортных средств на водороде вместо традиционных электромобилей требует топливных элементов, которые могут безопасно преобразовывать и кислород в воду – серьезная проблема внедрения.


Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере обращаются к одному аспекту этого препятствия, разрабатывая новые вычислительные инструменты и модели, необходимые для лучшего понимания процесса преобразования и управления им. Хендрик Хайнц, доцент кафедры химической и биологической инженерии, возглавляет эту работу в партнерстве с Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе. Его команда недавно опубликовала новые результаты по этому вопросу в Достижения науки.

Электромобили на топливных элементах объединяют водород в баке с кислородом, взятым из воздуха, для производства электроэнергии, необходимой для работы. Их не нужно подключать к розетке для зарядки, и они имеют дополнительное преимущество в виде образования водяного пара в качестве побочного продукта. Эти, а также другие факторы сделали их интересным вариантом в области транспортировки экологически чистой и возобновляемой энергии.

Хайнц сказал, что ключевая цель сделать автомобили жизнеспособными – найти в топливном элементе эффективный катализатор, который может «сжигать» водород с кислородом в контролируемых условиях, необходимых для безопасного путешествия. В то же время исследователи ищут катализатор, который может делать это при температуре, близкой к комнатной, с высокой эффективностью и длительным сроком службы в кислотном растворе. Обычно используется металлическая платина, но прогнозирование реакций и материалов, которые лучше всего использовать для увеличения масштабов или различных условий, на сегодняшний день является сложной задачей.

«На протяжении десятилетий исследователи изо всех сил пытались предсказать сложные процессы, необходимые для этой работы, хотя огромный прогресс был достигнут с использованием нанопластин, нанопроволок и многих других наноструктур», – сказал Хайнц. «Чтобы решить эту проблему, мы разработали модели металлических наноструктур и взаимодействий кислорода, воды и металлов, которые превышают точность современных квантовых методов более чем в 10 раз. Модели также позволяют учитывать растворитель и динамику и выявляют количественные корреляции между кислородом. доступность поверхности и каталитическая активность в реакции восстановления кислорода ».

Хайнц сказал, что количественное моделирование, проведенное его командой, показывает взаимодействие между молекулами кислорода, когда они сталкиваются с различными препятствиями в виде молекулярных слоев воды на поверхности платины. Эти взаимодействия определяют разницу между медленной или быстрой последующей реакцией, и их необходимо контролировать, чтобы процесс работал эффективно. Эти реакции происходят довольно быстро – превращение в воду занимает около миллисекунды на квадратный нанометр – и происходят на крошечной поверхности катализатора. Все эти переменные объединяются в запутанный, сложный «танец», который его команда нашла способ моделировать предсказательными способами.

Вычислительные методы и методы, требующие больших объемов данных, описанные в статье, могут быть использованы для создания дизайнерских наноструктур, которые позволят максимально увеличить каталитическую эффективность, а также возможных модификаций поверхности для дальнейшей оптимизации соотношения затрат и выгод топливных элементов, добавил Хайнц. Его сотрудники изучают коммерческое значение этого аспекта, и он применяет инструменты, чтобы помочь изучить более широкий спектр потенциальных сплавов и получить более глубокое понимание действующей механики.

«Инструменты, описанные в статье, особенно силовое поле интерфейса для более надежного моделирования молекулярной динамики на порядок, также могут быть применены к другим интерфейсам катализатора и электрокатализатора для аналогичных новаторских и практически полезных достижений», – сказал он.

Эта работа финансировалась Национальным научным фондом. Среди других партнеров – Argonne Leadership Computing Facility и Research Computing в Университете Колорадо в Боулдере.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments