L'adozione diffusa di veicoli alimentati a idrogeno rispetto ai veicoli elettrici tradizionali richiede celle a combustibile in grado di convertire in modo sicuro idrogeno e ossigeno in acqua, un serio problema di implementazione.

I ricercatori dell'Università del Colorado Boulder stanno affrontando un aspetto di questo ostacolo sviluppando nuovi strumenti e modelli computazionali necessari per comprendere e gestire meglio il processo di conversione. Hendrik Heinz, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica, sta conducendo lo sforzo in collaborazione con l'Università della California di Los Angeles. Il suo team ha recentemente pubblicato nuove scoperte sull'argomento in Progressi scientifici .

I veicoli elettrici a celle a combustibile combinano l'idrogeno in un serbatoio con l'ossigeno prelevato dall'aria per produrre l'elettricità necessaria per funzionare. Non hanno bisogno di essere collegati per caricare e hanno l'ulteriore vantaggio di produrre vapore acqueo come sottoprodotto. Quelli, più altri fattori, li hanno resi un'opzione interessante nelle aree di trasporto di energia verde e rinnovabile.

Heinz ha affermato che un obiettivo chiave per rendere praticabili i veicoli è trovare un catalizzatore efficace nella cella a combustibile che possa "bruciare" l'idrogeno con l'ossigeno in condizioni controllate necessarie per viaggiare in sicurezza. Allo stesso tempo, i ricercatori stanno cercando un catalizzatore in grado di farlo a temperatura ambiente vicina, ad alta efficienza e lunga durata in soluzione acida. Il platino è comunemente usato, ma la previsione delle reazioni e dei materiali migliori da utilizzare per l'aumento di scala o condizioni diverse è stata una sfida fino ad oggi.

"Per decenni, i ricercatori hanno lottato per prevedere i complessi processi necessari per questo lavoro, sebbene siano stati compiuti enormi progressi utilizzando le nanopiastre, nanofili e molte altre nanostrutture, " Heinz ha detto. "Per affrontare questo, abbiamo sviluppato modelli per nanostrutture metalliche e ossigeno, interazioni acqua e metallo che superano di oltre 10 volte l'accuratezza degli attuali metodi quantistici. I modelli consentono anche l'inclusione del solvente e della dinamica e rivelano correlazioni quantitative tra l'accessibilità dell'ossigeno alla superficie e l'attività catalitica nella reazione di riduzione dell'ossigeno".

Heinz ha affermato che le simulazioni quantitative sviluppate dal suo team mostrano l'interazione tra le molecole di ossigeno quando incontrano diverse barriere da strati molecolari di acqua sulla superficie del platino. Queste interazioni fanno la differenza tra una reazione di follow-on lenta o veloce e devono essere controllate affinché il processo funzioni in modo efficiente. Queste reazioni avvengono abbastanza velocemente:la conversione in acqua richiede circa un millisecondo per nanometro quadrato per essere completata e si verificano su una minuscola superficie del catalizzatore. Tutte queste variabili si uniscono in un intricato, complessa "danza" che il suo team ha trovato il modo di modellare in modo predittivo.

I metodi computazionali e ad alta intensità di dati descritti nel documento possono essere utilizzati per creare nanostrutture di design che massimizzerebbero l'efficienza catalitica, nonché possibili modifiche superficiali per ottimizzare ulteriormente il rapporto costi-benefici delle celle a combustibile, Heinz ha aggiunto. I suoi collaboratori stanno esplorando le implicazioni commerciali di questo aspetto, e sta applicando gli strumenti per aiutare a studiare una gamma più ampia di potenziali leghe e ottenere ulteriori approfondimenti sui meccanismi in gioco.

"Gli strumenti descritti nel documento, in particolare il campo di forza dell'interfaccia per simulazioni di dinamica molecolare più affidabili dell'ordine di grandezza, può essere applicato anche ad altre interfacce catalizzatore ed elettrocatalizzatore per simili progressi innovativi e praticamente utili, " Egli ha detto.