De wijdverbreide acceptatie van voertuigen op waterstof in plaats van traditionele elektrische voertuigen vereist brandstofcellen die waterstof en zuurstof veilig in water kunnen omzetten - een serieus implementatieprobleem.

Onderzoekers van de University of Colorado Boulder pakken een aspect van die wegversperring aan door nieuwe rekenhulpmiddelen en modellen te ontwikkelen die nodig zijn om het conversieproces beter te begrijpen en te beheren. Hendrik Heinz, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische en Biologische Technologie, leidt de inspanning in samenwerking met de University of California Los Angeles. Zijn team publiceerde onlangs nieuwe bevindingen over het onderwerp in wetenschappelijke vooruitgang .

Elektrische voertuigen met brandstofcellen combineren waterstof in een tank met zuurstof uit de lucht om de elektriciteit te produceren die nodig is om te rijden. Ze hoeven niet te worden aangesloten om op te laden en hebben het extra voordeel dat ze waterdamp als bijproduct produceren. Die, plus andere factoren, hebben ze tot een intrigerende optie gemaakt op het gebied van transport van groene en hernieuwbare energie.

Heinz zei dat een belangrijk doel om de voertuigen levensvatbaar te maken, is om een ​​effectieve katalysator in de brandstofcel te vinden die de waterstof kan "verbranden" met zuurstof onder gecontroleerde omstandigheden die nodig zijn voor veilig reizen. Tegelijkertijd, onderzoekers zoeken naar een katalysator die dit kan doen bij bijna kamertemperatuur, met hoog rendement en een lange levensduur in zure oplossing. Platinametaal wordt vaak gebruikt, maar het voorspellen van de reacties en de beste materialen om te gebruiken voor opschaling of verschillende omstandigheden was tot nu toe een uitdaging.

"Al decenia, onderzoekers hebben geworsteld met het voorspellen van de complexe processen die nodig zijn voor dit werk, hoewel er enorme vooruitgang is geboekt met het gebruik van nanoplaten, nanodraden en vele andere nanostructuren, "Zei Heinz. "Om dit aan te pakken, we hebben modellen ontwikkeld voor metalen nanostructuren en zuurstof, water- en metaalinteracties die de nauwkeurigheid van de huidige kwantummethoden meer dan 10 keer overtreffen. De modellen maken ook de opname van het oplosmiddel en de dynamiek mogelijk en onthullen kwantitatieve correlaties tussen zuurstoftoegankelijkheid tot het oppervlak en katalytische activiteit in de zuurstofreductiereactie."

Heinz zei dat de kwantitatieve simulaties die zijn team ontwikkelde de interactie tussen zuurstofmoleculen laten zien wanneer ze verschillende barrières tegenkomen door moleculaire waterlagen op het platina-oppervlak. Deze interacties maken het verschil tussen een langzame of snelle vervolgreactie en moeten worden gecontroleerd om het proces efficiënt te laten werken. Deze reacties gebeuren vrij snel - de omzetting in water duurt ongeveer een milliseconde per vierkante nanometer - en gebeuren op een klein katalysatoroppervlak. Al die variabelen komen samen in een ingewikkelde, complexe "dans" die zijn team een ​​manier heeft gevonden om op voorspellende manieren te modelleren.

De computationele en data-intensieve methoden die in het artikel worden beschreven, kunnen worden gebruikt om designer-nanostructuren te creëren die de katalytische efficiëntie maximaal zouden maken, evenals mogelijke oppervlakteaanpassingen om de kosten-batenverhouding van brandstofcellen verder te optimaliseren, Heinz toegevoegd. Zijn medewerkers onderzoeken de commerciële implicaties van dat aspect, en hij past de tools toe om een ​​breder scala aan mogelijke legeringen te bestuderen en meer inzicht te krijgen in de mechanica die in het spel is.

"De instrumenten die in de krant worden beschreven, vooral het interfacekrachtveld voor betrouwbaardere moleculaire dynamica-simulaties in de orde van grootte, kan ook worden toegepast op andere katalysator- en elektrokatalysatorinterfaces voor vergelijkbare baanbrekende en praktisch bruikbare vooruitgang, " hij zei.