«Понимание механизмов реакции является первым шагом к возможной замене дорогой платины в топливных элементах с более дешевым материалом», говорит Манос Мэврикакис, преподаватель Висконсинского университета в Мадисоне химической и биологической разработки.Mavrikakis и коллеги в Осакском университете в Японии издали детали в журнале Proceedings Национальной академии наук.Топливные элементы производят электричество, объединяя электроны и протоны – обеспеченный химическим топливом, такие как метанол – с кислородом от воздуха.
Чтобы сделать реакцию, которая производит протоны быстрее, топливные элементы, как правило, содержат катализаторы. С правильным катализатором и достаточным количеством топлива и воздуха, топливные элементы могли обеспечить власть очень эффективно.Когда-нибудь, топливные элементы могли сделать аккумуляторы для ноутбука устаревшими. Всего лишь столовые ложки метанола могли потенциально обеспечить до 20 часов непрерывной власти.
Но альтернативы дорогому платиновому катализатору в сегодняшних топливных элементах не появились, потому что ученые все еще не полностью понимают сложную химию, требуемую произвести протоны и электроны от топлива.И нахождение хорошего катализатора не является никакой тривиальной задачей.
«Люди достигли использования платины для катализатора в основном методом проб и ошибок, не понимая, как реакция происходит», говорит Мэврикакис. «Наши усилия разработали большую картину того, как реакция происходит, и мы надеемся сделать тот же самый анализ с другими материалами, чтобы помочь найти более дешевую альтернативу».На первый взгляд химия кажется прямой: молекулы Метанола, наводненные в водянистой обстановке, успокаиваются на платине, появляются и бросают один из их четырех водородных атомов.
Движение тех электронов от того водородного атома делает электрический ток.В действительности ситуация не так проста.«Все эти молекулы, вода и метанол, на самом деле танцуют вокруг поверхности катализатора и колеблются непрерывно», говорит Мэврикакис. «После динамики этих колеблющихся движений все время, и в присутствии внешне прикладного электрического потенциала, действительно очень сложно».
Молекулы воды не желтофиоли, сидящие за кулисами молекул метанола, реагирующих с платиной; скорее они иногда вмешиваются к химическому танцу. И переменное напряжение на наэлектризованной поверхности платинового катализатора запутывает темп реакции еще больше.Ранее, химики только моделировали упрощенные сценарии – топливные элементы без любой воды в соединении или каталитические поверхности, которые не потрескивали с электричеством.
Неудивительно, заключения на основе таких упрощений были не в состоянии полностью захватить огромную сложность реальных реакций.Mavrikakis и коллеги объединили их экспертные знания в двух сильных вычислительных методах, чтобы создать более детальное описание очень сложной реальной окружающей среды.Они сначала использовали плотность функциональная теория решить для кванта механические силы и энергии между отдельными атомами, затем построили схему на тех результатах, используя молекулярные методы динамики, чтобы моделировать многочисленные ансамбли молекул воды и метанола, взаимодействующих между собой и с платиновой поверхностью.
Подробные моделирования показали, что присутствие воды в топливном элементе играет огромную роль в диктовке, какой водородный атом вырывается на свободу от метанола сначала – результат, который никогда, возможно, не захватывали более простые методы. Электрический заряд также определил заказ, в котором метанол расщепляется, удивительно переключая предпочтительный первый шаг в положительном электроде.
Этот тип информации позволяет ученым предсказать, какие побочные продукты могли бы накопиться в смеси реакции и выбрать лучшие ингредиенты для будущих топливных элементов.«Моделирование позволяет Вам придумать информированный дизайн материалов», говорит Мэврикакис, работа которого была поддержана Министерством энергетики и Национальным научным фондом. «Мы планируем исследовать альтернативные виды топлива и диапазон обещания и более дешевых каталитических материалов».Результаты представляют кульминацию шести лет усилия на двух континентах. Джеффри Эррон, первый автор на бумаге, начал развивать методологии во время летнего посещения, чтобы работать при втором авторе газеты, профессоре Иоситаде Морикаве в Подразделении Науки Точности & Технологии и Прикладной Физики в Осакском университете.
Эррон, который закончил его докторскую степень в 2015 и является теперь старшим инженером для Dow Chemical Company, далее усовершенствовал эти подходы под руководством Мэврикакиса за несколько последующих лет в Мадисоне.«Большая работа за многие годы вошла в данную статью», говорит Мэврикакис. «Миру нужны топливные элементы, но не понимая, как реакция происходит, нет никакого рационального способа улучшиться».