Широке поширення транспортних засобів, що працюють на водні, вимагає виготовлення паливних елементів, які можуть безпечно перетворювати водень та кисень у воду.
Дослідники з Університету Колорадо Боулдер знайшли ефективний спосіб розв’язати цю проблему. Вони зосередилися на розробці нових обчислювальних інструментів та моделей, необхідних для кращого розуміння та управління процесом перетворення водню та кисню у воду. Хендрік Хайнц, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії, співпрацює з дослідниками Університету Каліфорнії в Лос-Анджелесу. Нещодавно його команда опублікувала нові результати з цього питання в журналі Science Advances.
Електричні транспортні засоби на паливних елементах для отримання електроенергії, необхідної для роботи, поєднують водень у резервуарі з киснем, взятим із повітря. Їх не потрібно підключати до мережі, щоб зарядити, а отже, для них непотрібно споруджувати зарядну інфраструктуру. Крім того, вони мають додаткову перевагу, створюючи водяну пару як побічний продукт.
Хайнц заявив: “Аби зробити транспортні електричні засоби життєздатними, необхідно розробити ефективний каталізатор в паливному елементі, який може “спалювати” водень киснем у безпечних умовах.” Водночас дослідники шукають каталізатор, який може це робити при кімнатній температурі у кислому розчині з високою ефективністю та тривалим терміном служби. Зазвичай для досягнення цих цілей використовується платиновий метал. Розробка атомно-масштабних особливостей поверхні платинового електрода, що контактує з електролітом, сприяє залученню молекулярного кисню та швидкому перетворенню його у воду. Сильно зв’язана молекула кисню виділяється синім кольором перед реакцією на поверхні платинової нанопластинки.
“Колосальний прогрес був досягнутий за допомогою нанопластин, нанопроволок та багатьох інших наноструктур”, – сказав Хайнц. «Для вирішення цього питання ми розробили моделі наноструктур металів, які взаємодіють з киснем та водою. Інноваційний метод перевищує точність сучасних квантових методів більше, ніж у 10 разів. Моделі також дозволяють виявити кількісні кореляційні зв’язки між доступністю кисню до поверхні та каталітичною активністю в реакції відновлення кисню”.
Хайнц сказав, що кількісне моделювання, розроблене його командою, показує взаємодію між молекулами кисню, коли вони стикаються з різними бар’єрами, такими як: молекулярні шари води на поверхні платини. Взаємодію необхідно контролювати для того, аби процес працював ефективно.
Результати випробування довели, що хімічні реакції відбуваються досить швидко – перетворення водню у воду займає декілька мілісекунд на квадратний нанометр – і відбуваються на крихітній поверхні каталізатора.
Описані в роботі обчислювальні методи можуть бути використані для створення наноструктур, які б максимально збільшили каталітичну ефективність. Крім того, їх можна використовувати ще й для різноманітних модифікацій поверхні для подальшої оптимізації співвідношення витрат і вигод паливних елементів. Дослідники наразі вивчають комерційні наслідки цього методу.
“Інструменти, описані в роботі – нанопластини, нанодроти – можуть застосовуватися в інших інтерфейсах каталізатора та електрокаталізатора для подібних новаторських досліджень”, – сказав Хайнц.
Цю роботу фінансував Національний науковий фонд. Серед інших партнерів – Аргонський лідерський обчислювальний центр та дослідницькі обчислення в Університеті Колорадо Боулдер.
Читайте найцікавіші еконовини АРТ-ЕНЕРГО в Telegram та Фейсбуці