นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์กำลังพูดถึงแง่มุมหนึ่งของอุปสรรค์ดังกล่าวด้วยการพัฒนาเครื่องมือและแบบจำลองการคำนวณใหม่ที่จำเป็นต่อการทำความเข้าใจและจัดการกระบวนการแปลงให้ดีขึ้น Hendrik Heinz รองศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวภาพ เป็นผู้นำความพยายามร่วมกับมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียลอสแองเจลิส ทีมงานของเขาตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้การค้นพบใหม่เกี่ยวกับเรื่องในความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์

ยานพาหนะไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงรวมไฮโดรเจนในถังกับออกซิเจนที่นำมาจากอากาศเพื่อผลิตไฟฟ้าที่จำเป็นต่อการทำงาน ไม่จำเป็นต้องเสียบปลั๊กเพื่อชาร์จและมีประโยชน์เพิ่มเติมในการผลิตไอน้ำเป็นผลพลอยได้ รวมทั้งปัจจัยอื่นๆ ทำให้พวกเขาเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจในพื้นที่การขนส่งพลังงานหมุนเวียนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ไฮนซ์กล่าวว่าเป้าหมายหลักในการทำให้ยานพาหนะใช้งานได้คือการหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพในเซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถ "เผา" ไฮโดรเจนด้วยออกซิเจนภายใต้สภาวะควบคุมที่จำเป็นสำหรับการเดินทางอย่างปลอดภัย ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยกำลังมองหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำได้ที่อุณหภูมิใกล้ห้อง ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงและมีอายุการใช้งานยาวนานในสารละลายที่เป็นกรด โดยทั่วไปแล้วโลหะแพลตตินั่มมักใช้ แต่การคาดการณ์ปฏิกิริยาและวัสดุที่ดีที่สุดที่จะใช้สำหรับการปรับขนาดหรือสภาวะที่แตกต่างกันนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายในปัจจุบัน

Heinz กล่าวว่า "เป็นเวลาหลายสิบปีที่นักวิจัยพยายามที่จะคาดเดากระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นสำหรับงานนี้ แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมากโดยใช้แผ่นนาโน ลวดนาโน และโครงสร้างนาโนอื่นๆ อีกมากมาย "เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เราได้พัฒนาแบบจำลองสำหรับโครงสร้างนาโนของโลหะและปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจน น้ำ และโลหะที่เกินความถูกต้องของวิธีการควอนตัมในปัจจุบันมากกว่า 10 เท่า แบบจำลองนี้ยังช่วยให้สามารถรวมตัวทำละลายและไดนามิกเข้าด้วยกัน และเผยให้เห็นความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างออกซิเจน การเข้าถึงพื้นผิวและกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการลดออกซิเจน"

Heinz กล่าวว่าการจำลองเชิงปริมาณที่ทีมของเขาพัฒนาขึ้นนั้นแสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของออกซิเจนเมื่อพวกเขาพบกับอุปสรรคที่แตกต่างกันโดยชั้นโมเลกุลของน้ำบนผิวแพลตตินัม การโต้ตอบเหล่านี้สร้างความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยาที่ตามมาช้าหรือเร็ว และจำเป็นต้องควบคุมเพื่อให้กระบวนการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว การแปลงเป็นน้ำจะใช้เวลาประมาณหนึ่งมิลลิวินาทีต่อตารางนาโนเมตรจึงจะเสร็จสมบูรณ์ และเกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดเล็ก ตัวแปรทั้งหมดเหล่านี้มารวมกันใน "การเต้นรำ" ที่สลับซับซ้อนและซับซ้อน ซึ่งทีมของเขาได้ค้นพบวิธีการสร้างแบบจำลองในรูปแบบการคาดเดา

วิธีการเชิงคำนวณและการใช้ข้อมูลมากที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้สามารถใช้เพื่อสร้างโครงสร้างนาโนของนักออกแบบที่จะให้ประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาสูงสุด ตลอดจนการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่เป็นไปได้เพื่อปรับอัตราส่วนต้นทุนต่อผลประโยชน์ของเซลล์เชื้อเพลิงให้เหมาะสมยิ่งขึ้น ไฮนซ์กล่าวเสริม ผู้ทำงานร่วมกันของเขากำลังสำรวจความหมายเชิงพาณิชย์ของแง่มุมนั้น และเขากำลังใช้เครื่องมือเพื่อช่วยในการศึกษาโลหะผสมที่มีศักยภาพในวงกว้างขึ้น และรับข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกที่กำลังแข่งขัน

"เครื่องมือที่อธิบายไว้ในบทความนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสนามแรงอินเทอร์เฟซสำหรับการจำลองระดับโมเลกุลที่เชื่อถือได้มากขึ้น ยังสามารถนำไปใช้กับตัวเร่งปฏิกิริยาและอินเทอร์เฟซตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าสำหรับความก้าวหน้าที่แปลกใหม่และมีประโยชน์ในทางปฏิบัติที่คล้ายคลึงกัน" เขากล่าว

งานนี้ได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ พันธมิตรรายอื่นๆ ได้แก่ Argonne Leadership Computing Facility และ Research Computing ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์