La adopción generalizada de vehículos propulsados ​​por hidrógeno sobre los vehículos eléctricos tradicionales requiere celdas de combustible que puedan convertir el hidrógeno y el oxígeno en agua de manera segura, un problema de implementación serio.

Los investigadores de la Universidad de Colorado Boulder están abordando un aspecto de ese obstáculo mediante el desarrollo de nuevas herramientas y modelos computacionales necesarios para comprender y administrar mejor el proceso de conversión. Hendrik Heinz, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica, está liderando el esfuerzo en asociación con la Universidad de California en Los Ángeles. Su equipo publicó recientemente nuevos hallazgos sobre el tema en Avances de la ciencia .

Los vehículos eléctricos de pila de combustible combinan hidrógeno en un tanque con oxígeno extraído del aire para producir la electricidad necesaria para funcionar. No necesitan estar enchufados para cargar y tienen el beneficio adicional de producir vapor de agua como subproducto. Aquellos, más otros factores, los han convertido en una opción interesante en las áreas de transporte de energía verde y renovable.

Heinz dijo que un objetivo clave para hacer viables los vehículos es encontrar un catalizador eficaz en la celda de combustible que pueda "quemar" el hidrógeno con oxígeno en las condiciones controladas necesarias para un viaje seguro. Al mismo tiempo, los investigadores están buscando un catalizador que pueda hacer esto a una temperatura cercana a la ambiente, con alta eficiencia y una larga vida útil en solución ácida. El metal platino se usa comúnmente, pero hasta la fecha ha sido un desafío predecir las reacciones y los mejores materiales a utilizar para la ampliación o las diferentes condiciones.

"Por décadas, Los investigadores han luchado por predecir los complejos procesos necesarios para este trabajo, aunque se ha logrado un enorme progreso con el uso de nanoplacas, nanocables y muchas otras nanoestructuras, "Heinz dijo." Para abordar esto, hemos desarrollado modelos para nanoestructuras metálicas y oxígeno, interacciones de agua y metales que superan la precisión de los métodos cuánticos actuales en más de 10 veces. Los modelos también permiten la inclusión del disolvente y la dinámica y revelan correlaciones cuantitativas entre la accesibilidad del oxígeno a la superficie y la actividad catalítica en la reacción de reducción de oxígeno ".

Heinz dijo que las simulaciones cuantitativas que desarrolló su equipo muestran la interacción entre las moléculas de oxígeno cuando encuentran diferentes barreras por las capas moleculares de agua en la superficie del platino. Estas interacciones marcan la diferencia entre una reacción de seguimiento lenta o rápida y deben controlarse para que el proceso funcione de manera eficiente. Estas reacciones ocurren bastante rápido (la conversión en agua tarda aproximadamente un milisegundo por nanómetro cuadrado en completarse) y ocurren en una pequeña superficie de catalizador. Todas esas variables se unen en un intrincado, "danza" compleja que su equipo ha encontrado una manera de modelar de manera predictiva.

Los métodos computacionales y de uso intensivo de datos descritos en el documento se pueden utilizar para crear nanoestructuras de diseño que maximizarían la eficiencia catalítica. así como posibles modificaciones de la superficie para optimizar aún más la relación costo-beneficio de las pilas de combustible, Añadió Heinz. Sus colaboradores están explorando la implicación comercial de ese aspecto, y está aplicando las herramientas para ayudar a estudiar una gama más amplia de aleaciones potenciales y obtener más conocimientos sobre la mecánica en juego.

"Las herramientas descritas en el documento, especialmente el campo de fuerza de la interfaz para simulaciones de dinámica molecular de orden de magnitud más confiables, también se puede aplicar a otras interfaces de catalizador y electrocatalizador para avances similares innovadores y prácticamente útiles, " él dijo.