2019年7月22日
日本的科学家们已经开发了模拟技术，可以提供关于固体氧化物燃料电池中发生的反应的新看法，他们使用了基于显微镜观察的电极活性位点的实际原子尺度模型作为初始点。
在这个固体氧化物燃料电池的计算机模型中，原子的初始位置是基于使用电子显微镜观察到的实际原子结构。使用这个模型的模拟揭示了一个以前没有报道过的反应(红色路径):氧化钇稳定氧化锆层(红色和浅蓝色球层)中的氧分子穿过大块镍层(深蓝色球层)，然后在镍表面形成OH。(图片来源:九州大学小山道久)
这种更好的见解可以为未来设备的耐用性和性能提供一些建议。固体氧化物燃料电池通过燃料与空气的电化学反应产生电能，这是产生清洁高效电能的极具前景的技术。它们已经开始进入日本各地的家庭和办公楼。
在标准燃料电池中，燃料电池一侧的氧分子首先接收电子并分解成氧化物离子。然后，氧化离子通过电解液移动到设备的另一侧，在那里它们与燃料反应并释放额外的电子。这些电子通过外部电线回到起始端，完成电路并为任何连接到电线上的东西供电。
虽然这一普遍的反应是众所周知的和相对简单,过程限制的总体率的反应步骤仍存在争议的复杂结构电极通常是多孔材料而不是基本平surfaces-hamper调查发生在原子水平的。亚博网站下载
由于对设备中发生的反应的全面了解对于进一步提高燃料电池的耐用性和性能至关重要，所以挑战在于理解微观结构(从原子在不同界面上的排列)如何影响反应。
计算机模拟在预测和理解我们无法在原子或分子尺度上轻易观察到的反应方面发挥了强大的作用。然而，大多数研究都假设了简化的结构以减少计算成本，这些系统无法再现现实世界中发生的复杂结构和行为．
九州大学稻盛县前沿研究中心组长小山道久
Koyama的团队专注于克服这些不足，通过将改进参数的模拟应用到主要界面的真实模型中，该模型基于电极活性位原子的真实位置的微观观察。
利用…的力量九州大学科学家们使用原子分辨率电子显微镜仔细检查了燃料电池薄片的原子结构。基于这些检查，科学家们用同样的原子结构为他们检查的两种演示排列重建了计算机模型。
在这些由计算机生成的燃料电池中，氧和氢之间的反应随后被一种称为“反作用力场分子动力学”的技术复制，该技术包括应用一组参数来估计原子之间如何相互作用，甚至化学反应，而不涉及复杂的严格量子化学计算。
在这里，科学家们与东京大学的Yoshitaka Umeno的团队合作，使用了一组增强的参数。
通过对各种模型系统的多次模拟研究，科学家们发现，优选反应更有可能发生在孔径较小的层中。
此外，他们还发现了一种新的反应途径，在这种反应途径中，氧气以一种可能会降低耐久性和性能的方式穿过本体层。因此，科学家在设计更好的燃料电池时，应该考虑防止这种潜在反应路径的策略。
这些是我们只有通过观察真实世界的系统才能得到的见解。在未来，我希望看到更多的人使用显微镜观察到的真实世界的原子结构，以模拟为基础，来理解我们在实验室里很难测量和观察到的现象．
九州大学稻盛县前沿研究中心组长小山道久
来源:http://www.kyushu-u.ac.jp/