Fonctionnement intérieur schématique des électrodes dans une pile à combustible, et l'importance des paramètres clés. Crédit :Heinz et al., 2021
L'adoption généralisée des véhicules à hydrogène par rapport aux véhicules électriques traditionnels nécessite des piles à combustible capables de convertir en toute sécurité l'hydrogène et l'oxygène en eau, un grave problème de mise en œuvre.
Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder s'attaquent à un aspect de cet obstacle en développant de nouveaux outils et modèles de calcul nécessaires pour mieux comprendre et gérer le processus de conversion. Hendrik Heinz, professeur agrégé au Département de génie chimique et biologique, dirige l'effort en partenariat avec l'Université de Californie à Los Angeles. Son équipe a récemment publié de nouvelles découvertes sur le sujet dans Avancées scientifiques .
Les véhicules électriques à pile à combustible combinent de l'hydrogène dans un réservoir avec de l'oxygène extrait de l'air pour produire l'électricité nécessaire à leur fonctionnement. Ils n'ont pas besoin d'être branchés pour se recharger et ont l'avantage supplémentaire de produire de la vapeur d'eau en tant que sous-produit. Celles, plus d'autres facteurs, en ont fait une option intéressante dans les domaines du transport des énergies vertes et renouvelables.
Heinz a déclaré qu'un objectif clé pour rendre les véhicules viables est de trouver un catalyseur efficace dans la pile à combustible qui puisse "brûler" l'hydrogène avec de l'oxygène dans des conditions contrôlées nécessaires à un voyage en toute sécurité. À la fois, les chercheurs recherchent un catalyseur capable de le faire à une température proche de la pièce, avec un rendement élevé et une longue durée de vie en solution acide. Le métal platine est couramment utilisé, mais prédire les réactions et les meilleurs matériaux à utiliser pour la mise à l'échelle ou dans différentes conditions a été un défi à ce jour.
L'ingénierie des caractéristiques de surface à l'échelle atomique de l'électrode de platine en contact avec l'électrolyte aide à attirer l'oxygène moléculaire et à accélérer la conversion en eau. Une molécule d'oxygène fortement liée est surlignée en bleu avant la réaction sur une surface de nanoplaque de platine. Crédit :Heinz et al., 2021
"Depuis des décennies, les chercheurs ont eu du mal à prédire les processus complexes nécessaires à ce travail, bien que d'énormes progrès aient été réalisés grâce aux nanoplaques, nanofils et bien d'autres nanostructures, " Heinz a dit. " Pour résoudre ce problème, nous avons développé des modèles pour les nanostructures métalliques et l'oxygène, interactions de l'eau et des métaux qui dépassent de plus de 10 fois la précision des méthodes quantiques actuelles. Les modèles permettent également l'inclusion du solvant et de la dynamique et révèlent des corrélations quantitatives entre l'accessibilité de l'oxygène à la surface et l'activité catalytique dans la réaction de réduction de l'oxygène. »
Heinz a déclaré que les simulations quantitatives développées par son équipe montrent l'interaction entre les molécules d'oxygène lorsqu'elles rencontrent différentes barrières par des couches moléculaires d'eau à la surface du platine. Ces interactions font la différence entre une réaction de suivi lente ou rapide et doivent être contrôlées pour que le processus fonctionne efficacement. Ces réactions se produisent assez rapidement - la conversion en eau prend environ une milliseconde par nanomètre carré - et se produisent sur une minuscule surface de catalyseur. Toutes ces variables sont réunies dans un complexe, "danse" complexe que son équipe a trouvé un moyen de modéliser de manière prédictive.
Les méthodes de calcul et de données intensives décrites dans l'article peuvent être utilisées pour créer des nanostructures de concepteur qui maximiseraient l'efficacité catalytique, ainsi que d'éventuelles modifications de surface pour optimiser encore le rapport coût-bénéfice des piles à combustible, Heinz a ajouté. Ses collaborateurs explorent les implications commerciales de cet aspect, et il applique les outils pour aider à étudier un plus large éventail d'alliages potentiels et à mieux comprendre les mécanismes en jeu.
« Les outils décrits dans le document, en particulier le champ de force d'interface pour des simulations de dynamique moléculaire plus fiables par ordre de grandeur, peut également être appliqué à d'autres interfaces de catalyseur et d'électrocatalyseur pour des avancées révolutionnaires et pratiques similaires, " il a dit.
