原子精确模型提高了对燃料电池的理解

日本研究人员的模拟通过使用基于显微镜观察的电极活性位点的真实原子尺度模型作为起点，为固体氧化物燃料电池中发生的反应提供了新的见解。这种更好的理解可以为提高未来设备的性能和耐用性的方法提供线索。

固体氧化物燃料电池极有希望用于清洁高效的发电，它通过燃料与空气的电化学反应来发电，并且已经开始进入日本各地的家庭和办公楼。

在典型的燃料电池中，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，氧化物离子通过电解质到达设备的另一侧，在那里它们与燃料发生反应并释放出额外的电子。这些电子通过外部电线流回起始侧，从而完成电路并为连接到电线的任何东西供电。

尽管这种整体反应是众所周知且相对简单的，但限制该过程总速率的反应步骤仍然存在争议，因为电极的复杂结构——通常是多孔材料而不是简单的平坦表面——阻碍了对原子水平的现象。

由于有关设备中发生的反应的详细知识对于进一步提高燃料电池的性能和耐用性至关重要，因此挑战在于了解微观结构 - 直至不同界面处原子的排列 - 是如何影响燃料电池的。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，”九州大学稻森前沿研究中心领导该研究的小组负责人 Michihisa Koyama 解释说。

“然而，大多数研究都假设简化结构以降低计算成本，而这些系统无法再现现实世界中发生的复杂结构和行为。”

Koyama 的小组旨在克服这些缺点，基于对电极活性位点原子实际位置的微观观察，将具有精细参数的模拟应用于关键界面的真实模型。

利用九州大学超显微镜研究中心的力量，研究人员使用原子分辨率电子显微镜仔细观察了燃料电池薄片的原子结构。基于这些观察，研究人员随后为他们观察到的两种代表性排列重建了具有相同原子结构的计算机模型。

然后使用称为反应力场分子动力学的方法模拟这些虚拟燃料电池中氢和氧之间的反应，该方法使用一组参数来估计原子如何相互作用 - 甚至化学反应 - 彼此，而无需深入研究严格的量子化学计算的全部复杂性。在这种情况下，研究人员采用了与东京大学的 Yoshitaka Umeno 小组合作开发的一组改进的参数。

查看在不同模型系统上多次运行的模拟结果，研究人员发现所需的反应更有可能发生在孔径较小的层中。

此外，他们确定了一种新的反应途径，其中氧气以一种可能会降低性能和耐用性的方式通过体层迁移。因此，在研究人员致力于设计改进的燃料电池时，应考虑避免这种潜在反应途径的策略。

“这些是我们只能通过观察现实世界的系统才能获得的见解，”Koyama 评论道。“在未来，我希望看到更多的人使用从显微镜观察中重建的真实原子结构作为模拟的基础，以了解我们在实验室中无法轻松测量和观察的现象。”