新工具加快研究人員氫動力汽車開發並提高效率

隨着氫動力汽車的應用範圍越來越高於傳統電動汽車，燃料電池面臨着一個重要的應用問題，即需要能夠將氫和氧安全地轉化爲水。

據外媒報道，科羅拉多大學博爾德分校的研究人員開發出全新的計算工具和模型，可以更好地理解和管理轉換過程，從而解決上述問題的一個方面。此項研究由化學與生物工程系副教授Hendrik Heinz領導，並與加州大學洛杉磯分校合作進行。

（圖片來源：Science Advances）

燃料電池電動汽車通過將儲罐中的氫氣與從空氣中提取的氧氣相結合，產生動力從而推動汽車，因此無需插電，且其副產品僅有水。上述優勢以及其他因素使得燃料電池電動汽車在綠色和可再生能源運輸領域非常具有吸引力。

Heinz表示：“燃料電池電動汽車實現可行的關鍵是爲燃料電池找到一種有效的催化劑，從而可在安全行駛所需的受控條件下使氫氣和氧氣發生反應。同時，研究人員還在尋找一種可在室溫環境下作用的催化劑，不僅效率高，且在酸性溶液中也能具有較長的壽命。目前，鉑金屬是常見的催化劑。但截至目前，預測反應和最佳材料，從而用於擴大規模和不同條件，仍然十分具有挑戰性。

Heinz表示：“幾十年來，儘管通過使用納米板、納米線和許多其他納米結構已取得巨大進展，但研究人員仍一直在努力預測這項工作所需的複雜過程。爲了解決這個問題，我們開發出金屬納米結構和氧、水和金屬相互作用的模型，其精度是當前量子方法的10多倍。這些模型還能夠包含溶劑和動力性，並揭示出一種定量相關性，即表面氧的可獲得性和氧化還原反應中的催化劑活性之間的關係。”

Heinz稱其團隊開發的定量模擬可以顯示出在遇到鉑表面水分子層的不同障礙時，氧分子之間的相互作用。這些相互作用會使慢速或快速後續反應產生不同，並需要控制反應過程從而進行有效工作。這些反應速度很快，一平方納米的水轉化僅需一毫秒即可完成，且反應場所僅爲一個微小的催化劑表面。所有變量會以一種錯綜複雜的“舞蹈”形式組合在一起，而這種“舞蹈”就是該研究團隊以預測方式建模的方法。

Heinz補充說，研究使用的計算和數據密集型方法可用於創建設計師納米結構（designer-nanostructures），最大限度地提高催化效率，以及可能的表面改性，以進一步優化燃料電池的成本效益比。