微观尺度观测化学反应,日本发现新路径,了解燃料电池化学反应

微观尺度观测化学反应,日本发现新路径,了解燃料电池化学反应
2019年07月21日 08:15 新浪网 作者 小杨时尚说

微观尺度观测化学反应,日本发现新路径,了解燃料电池化学反应

九州大学——日本研究人员的原子排列模拟为微观尺度观察固体氧化物燃料电池中发生的反应,提供了新的方法,具体方法是以显微镜观察为出发点,利用电极上活性部位的实际原子尺度模型。这种更好的理解可以为未来设备的性能和耐用性改进提供线索。

固体氧化物燃料电池在清洁高效的发电方面极有前景,它通过燃料与空气的电化学反应来发电,并且已经开始在日本各地的住宅和办公楼中开始逐步应用。

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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装置的另一侧,在那里它们与燃料反应并释放出多余的电子。这些电子通过外部电线流回起始端,从而完成电路并为连接到电线上的任何东西供电。

尽管这一总体反应众所周知且相对简单,但限制整个反应速度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,而不是简单的平面)阻碍了研究。原子层面的现象。由于关于装置中发生的反应的详细知识对于进一步改善燃料电池的性能和耐久性是至关重要的,因此挑战在于理解微观结构 - 在不同界面处的原子排列 – 以及这种排列是如何影响反应。

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"计算机模拟在预测和理解我们在原子或分子尺度上无法轻易观察到的反应方面发挥了重要作用"在九州大学INAMORI前沿研究中心领导该研究的小组负责人Michihisa Koyama解释说。

"然而,大多数研究都采用简化的结构来降低计算成本,而这些系统无法再现现实世界中复杂的结构和行为。"

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Koyama的小组旨在通过将精确参数的模拟应用于关键界面的真实模型,基于对电极活性位置处原子实际位置的显微观察来克服这些缺点。

利用九州大学超显微研究中心的优势,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。基于这些观察结果,研究人员随后重建了具有相同原子结构的计算机模型,用于他们观察到的两种代表性排列。

然后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的氢和氧之间的反应,该方法使用一组参数来近似原子将如何相互作用 - 甚至化学反应 - 而不是完全相互作用。严格的量子化学计算的复杂性。在这种情况下,研究人员采用了与东京大学的Yoshitaka Umeno小组合作开发的一套改进的参数。

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观察不同模型系统上多次运行模拟的结果,研究人员发现,在孔径较小的层中,更可能发生所需的反应。

此外,他们确定了一种新的反应途径,其中氧气以可能降低性能和耐久性的方式迁移通过本体层。因此,当研究人员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新创建的真实原子结构,作为模拟的基础,以了解我们在实验室中无法轻易测量和观察的现象。"

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