«Понимание механизмов реакции — это первый шаг к тому, чтобы в конечном итоге заменить дорогую платину в топливных элементах более дешевым материалом», — говорит Манос Маврикакис, профессор химической и биологической инженерии из Университета штата Вашингтон.Маврикакис и его коллеги из Университета Осаки в Японии опубликовали подробности в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Топливные элементы вырабатывают электричество, объединяя электроны и протоны, полученные из химического топлива, такого как метанол, с кислородом из воздуха. Чтобы ускорить реакцию генерации протонов, топливные элементы обычно содержат катализаторы.
При правильном катализаторе и достаточном количестве топлива и воздуха топливные элементы могли бы очень эффективно обеспечивать энергию.Когда-нибудь топливные элементы могут сделать батареи для ноутбуков устаревшими.
Простые столовые ложки метанола потенциально могут обеспечить до 20 часов непрерывной работы. Но альтернатив дорогостоящему платиновому катализатору в сегодняшних топливных элементах не появилось, потому что ученые до сих пор не до конца понимают сложный химический процесс, необходимый для производства протонов и электронов из топлива.А найти хороший катализатор — задача нетривиальная.«Люди пришли к использованию платины в качестве катализатора в основном методом проб и ошибок, не понимая, как происходит реакция», — говорит Маврикакис. «Наши усилия позволили составить полную картину того, как происходит реакция, и мы надеемся провести такой же анализ с другими материалами, чтобы найти более дешевую альтернативу».
На первый взгляд химия кажется простой: молекулы метанола, погруженные в водянистую среду, оседают на платиновой поверхности и отдают один из своих четырех атомов водорода. Движение этих электронов из атома водорода образует электрический ток.На самом деле все не так просто.«Все эти молекулы, вода и метанол, на самом деле танцуют вокруг поверхности катализатора и непрерывно колеблются», — говорит Маврикакис. «Постоянно следить за динамикой этих колеблющихся движений и в присутствии приложенного извне электрического потенциала на самом деле очень сложно».
Молекулы воды — это не желтые цветы, которые находятся в стороне от молекул метанола, вступающих в реакцию с платиной; скорее, они иногда включаются в химический танец. А изменение напряжения на наэлектризованной поверхности платинового катализатора еще больше запутывает темп реакции.Раньше химики моделировали только упрощенные сценарии — топливные элементы без воды в смеси или каталитические поверхности, которые не потрескивали от электричества. Неудивительно, что выводы, основанные на таких упрощениях, не смогли полностью уловить огромную сложность реакций в реальном мире.
Маврикакис и его коллеги объединили свой опыт в двух мощных вычислительных методах, чтобы создать более точное описание очень сложной реальной среды.Сначала они использовали теорию функционала плотности, чтобы найти квантово-механические силы и энергии между отдельными атомами, а затем построили схему на основе этих результатов, используя методы молекулярной динамики для моделирования больших ансамблей молекул воды и метанола, взаимодействующих между собой и с поверхностью платины.Детальное моделирование показало, что присутствие воды в топливном элементе играет огромную роль в определении того, какой атом водорода первым вырывается из метанола — результат, который невозможно было бы охватить более простыми методами. Электрический заряд также определил порядок, в котором метанол разрушается, неожиданно переключив предпочтительную первую ступень на положительном электроде.
Этот тип информации позволяет ученым предсказать, какие побочные продукты могут накапливаться в реакционной смеси, и выбрать лучшие ингредиенты для будущих топливных элементов.«Моделирование позволяет вам разработать обоснованный дизайн материалов», — говорит Маврикакис, работа которого была поддержана Министерством энергетики и Национальным научным фондом. «Мы планируем изучить альтернативные виды топлива и ряд перспективных и более дешевых каталитических материалов».Результаты представляют собой кульминацию шести лет усилий на двух континентах.
Джеффри Херрон, первый автор статьи, начал разработку методологий во время летнего визита для работы под руководством второго автора статьи, профессора Йошитада Морикава из отдела точных наук. Технологии и прикладная физика в Осакском университете.Херрон, который защитил докторскую диссертацию в 2015 году и сейчас является старшим инженером компании Dow Chemical Company, в течение нескольких последующих лет в Мэдисоне под руководством Маврикакиса усовершенствовал эти подходы.
«Работа над этой статьей была проделана на протяжении многих лет, — говорит Маврикакис. «Миру нужны топливные элементы, но без понимания того, как происходит реакция, нет рационального способа улучшить ситуацию».