태양 에너지로부터 수소를 실행하고 탄소 배출량 대신 물을 생산하는 자동차를 상상해보십시오. 이런 자동차가 조만간 시장에되지 않습니다지만, 위스콘신 - 매디슨 대학의 연구자들은 깨끗한 차량을 현실로 만들 수있는 연료 전지 기술의 증분 있지만 중요한 진보를하고 있습니다.
재료 과학 및 엔지니어링 조교수 데인 모건과 박사 학생 에드워드 (테드) Holby 그것이 가능한 기술이보다 널리 사용을 위해 제작, 연료 전지의 중요한 구성 요소를 최적화할 수있는 전산 모델을 개발했습니다. 기본적으로, 그들은 입자 크기는 재료의 전체 안정성에 관한 방법을 조사, 그들의 모델은 연료 전지 촉매의 입자 크기를 증가하면 저하를 감소하고 따라서 연료 전지의 유용 수명을 증가시킬 수있다는 것을 보여주었다.
연료 전지는 전력과 성형 물을 생산, 수소와 산소 사이의 반응을 촉진 전기 장치입니다. 모건이 연구는 연료 전지의 종류에는 양자 교환 막 연료 전지, 또는 PEMFCs라고, 수소는 연료 전지 (양극)의 한쪽에서 양성자와 전자로 나뉩니다. 전자는 그것이 유용한 작업을 수행할 수있는 외부 회로에 여행을 떠나야하는 동안 양성자는 장치를 통해 이동합니다. 연료 전지 (음극), 양자, 전자와 산소의 반대편에있는 유일한 폐기물 제품입니다 물을 형성하기 위해 결합.
전제는 간단 소리지만, 널리 사용하기 위해 효율적인 연료 전지를 생산하기 위해 여러 장애물이있다. 이러한 장애물 중 하나는 촉매가 음극에서 양자, 전자와 산소 사이의 반응을 도움에 추가됩니다. 현재 연료 전지는 촉매로 백금과 백금 합금을 사용합니다. 백금은 부식 연료 전지 환경을 견딜 수 있지만, 그것은 비용이 매우 풍부하지 않습니다.
플래티넘 사용을 최대화하기 위해, 연구자들은 전체 약 10 원자 두 나노미터,만큼 작은 백금 입자로 만든 촉매를 사용합니다. 이 작은 구조는 연료 전지 반응이 발생하는 큰 표면적을 가지고. 그러나, 백금 촉매는이 작은 매우 빠르게 저하.
"대량 대 nanoparticle 자료의 안정성이 치즈를 생각하여 직관적으로 이해할 수있다"모건은 말합니다. "당신은 치즈 밖의 큰 덩어리를 떠나 가장자리가 피각질의 도착하면 표면이 파괴이지만, 그 해제를 잘라 수 있으며, 좋은 그 안에 치즈가 많아입니다.
"당신은 작은 조각으로 치즈 푸딩과 그것을두고 경우 치즈의 큰 분수가 표면에 있기 때문에 그러나, 당신은 치즈를 모두 파괴."
신속한 촉매 저하는 연료 전지가 오래시키지 못한다는 것을 의미하고, 에너지의 미국학과 연료 전지 5000 시간 동안 작동, 또는 연속 사용 약 7 개월 자동차 에너지 솔루션에 대한 실용해야합니다 추산하고있다.
모건과 기술의 매사 추세츠 공과 대학에서 교수 양 Shao - 호른와 공동으로 작업하는 Holby는, 급속한 저하 문제에 대한 가능한 해결책을 발견 : 그것은 촉매 입자의 크기에게 어려움이 닥친다면 때론 작은 더하지 않습니다.
3M과 에너지의 미국과 재정 지원이다 그들의 모델링 작업은, 백금 촉매의 입자 크기가 약 20 원자에 걸쳐있다 네다섯 나노미터로 증가하는 경우, 성능 저하의 수준이 크게 감소 것으로 나타났습니다. 이것은 입자 크기는 두 개 또는 세 나노미터면 전체가 더 이상 작동 이상을 계속할 수로 촉매와 연료 전지를 의미합니다.
과학자들은 연료 전지 촉매로 사용하면 백금 소비를 줄일 수있는, 탐험 백금 합금들의 플래티넘 연구를 연장으로 입자 크기의 근본 물리학으로 연구에 유용합니다. 모건은 구리 백금과 코발트 - 백금 촉매로 백금 합금의 안정성에 대한 크기 효과를 연구하는 모델을 연구하기 시작합니다.
"연료 전지는 단지 많은 에너지 기술 중의 하나이다 - 태양, 전지 등 - 석유와 탄소 배출에 대한 의존도를 줄이기 위해 무한한 잠재력으로,"모건은 말합니다. "컴퓨터 시뮬레이션은 이러한 에너지 기술의 중심에 새로운 자료를 이해하고 개발하는 강력한 도구를 제공합니다."