p A adoção generalizada de veículos movidos a hidrogênio em relação aos veículos elétricos tradicionais requer células de combustível que possam converter hidrogênio e oxigênio em água com segurança - um sério problema de implementação. p Pesquisadores da University of Colorado Boulder estão abordando um aspecto desse obstáculo, desenvolvendo novas ferramentas computacionais e modelos necessários para entender e gerenciar melhor o processo de conversão. Hendrik Heinz, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica, está liderando o esforço em parceria com a Universidade da Califórnia em Los Angeles. Sua equipe publicou recentemente novas descobertas sobre o assunto em Avanços da Ciência .

p Os veículos elétricos com células de combustível combinam o hidrogênio em um tanque com o oxigênio retirado do ar para produzir a eletricidade necessária para funcionar. Eles não precisam ser conectados para carregar e têm o benefício adicional de produzir vapor de água como subproduto. Aqueles, além de outros fatores, os tornaram uma opção intrigante nas áreas de transporte de energia verde e renovável.

p Heinz disse que um objetivo fundamental para tornar os veículos viáveis ​​é encontrar um catalisador eficaz na célula de combustível que possa "queimar" o hidrogênio com oxigênio sob condições controladas necessárias para uma viagem segura. Ao mesmo tempo, pesquisadores estão procurando um catalisador que possa fazer isso próximo à temperatura ambiente, com alta eficiência e longa vida útil em solução ácida. O metal de platina é comumente usado, mas prever as reações e os melhores materiais a serem usados ​​na ampliação ou em diferentes condições tem sido um desafio até agora.

p "Por décadas, pesquisadores têm lutado para prever os processos complexos necessários para este trabalho, embora um enorme progresso tenha sido feito usando nanoplacas, nanofios e muitas outras nanoestruturas, "Heinz disse." Para resolver isso, desenvolvemos modelos para nanoestruturas metálicas e oxigênio, interações de água e metal que excedem a precisão dos métodos quânticos atuais em mais de 10 vezes. Os modelos também permitem a inclusão do solvente e da dinâmica e revelam correlações quantitativas entre a acessibilidade do oxigênio à superfície e a atividade catalítica na reação de redução do oxigênio. "

p Heinz disse que as simulações quantitativas que sua equipe desenvolveu mostram a interação entre as moléculas de oxigênio à medida que elas encontram diferentes barreiras por camadas moleculares de água na superfície da platina. Essas interações fazem a diferença entre uma reação de acompanhamento lenta ou rápida e precisam ser controladas para que o processo funcione com eficiência. Essas reações acontecem muito rápido - a conversão em água leva cerca de um milissegundo por nanômetro quadrado para ser concluída - e acontecem em uma pequena superfície de catalisador. Todas essas variáveis ​​vêm juntas em uma intrincada, "dança" complexa que sua equipe encontrou uma maneira de modelar de formas preditivas.

p Os métodos computacionais e intensivos em dados descritos no artigo podem ser usados ​​para criar nanoestruturas projetistas que maximizariam a eficiência catalítica, bem como possíveis modificações de superfície para otimizar ainda mais a relação custo-benefício das células de combustível, Heinz acrescentou. Seus colaboradores estão explorando a implicação comercial desse aspecto, e ele está aplicando as ferramentas para ajudar a estudar uma gama mais ampla de ligas potenciais e obter mais informações sobre a mecânica em jogo.

p "As ferramentas descritas no artigo, especialmente o campo de força de interface para simulações de dinâmica molecular de ordem de magnitude mais confiáveis, também pode ser aplicado a outras interfaces de catalisador e eletrocatalisador para avanços inovadores e praticamente úteis, " ele disse.