L’adoption généralisée des véhicules à hydrogène par rapport aux véhicules électriques traditionnels nécessite des piles à combustible capables de convertir l’hydrogène et l’oxygène en eau en toute sécurité – 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. Ceux-ci, ainsi que 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. Dans le même temps, 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 platine métal 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.
« Pendant des décennies, les chercheurs ont lutté pour prédire les processus complexes nécessaires à ce travail, bien que d’énormes progrès aient été réalisés en utilisant des nanoplaques, des nanofils et de nombreuses autres nanostructures », a déclaré Heinz. « Pour résoudre ce problème, nous avons développé des modèles pour les nanostructures métalliques et les interactions oxygène, eau et métal qui dépassent de plus de 10 fois la précision des méthodes quantiques actuelles. Les modèles permettent également d’inclure le solvant et la dynamique et révèlent des corrélations quantitatives entre l’oxygène l’accessibilité 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 se rejoignent dans une « danse » complexe et 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 conception qui maximiseraient l’efficacité catalytique, ainsi que d’éventuelles modifications de surface pour optimiser davantage le rapport coût-bénéfice des piles à combustible, a ajouté Heinz. 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 l’article, en particulier le champ de force d’interface pour des simulations de dynamique moléculaire plus fiables par ordre de grandeur, peuvent également être appliqués à d’autres interfaces de catalyseur et d’électrocatalyseur pour des avancées révolutionnaires et pratiques similaires », a-t-il déclaré.
Ce travail a été financé par la National Science Foundation. Parmi les autres partenaires, citons l’Argonne Leadership Computing Facility et Research Computing à l’Université du Colorado à Boulder.
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université du Colorado à Boulder. Original écrit par Josh Rhoten. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
.
