科學(xué)家的模擬為固體氧化物燃料電池反應(yīng)提供了新見解，以基于顯微鏡觀察電極活性位點(diǎn)的真實(shí)原子尺度模型為出發(fā)點(diǎn)，這種更好的理解可以為將來提高設(shè)備性能和耐用性提供線索。固體氧化物燃料電池極有希望用于清潔高效發(fā)電，它通過燃料與空氣的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。

在典型的燃料電池中，燃料電池一側(cè)的氧分子首先接收電子并分解成氧化物離子。然后，氧化物離子通過電解質(zhì)到達(dá)設(shè)備的另一端，在那里它們與燃料發(fā)生反應(yīng)，釋放出多余的電子。

這些電子通過外面的電線流回到啟動(dòng)端，從而完成電路并為連接到電線上的任何東西供電。雖然這整個(gè)反應(yīng)是眾所周知的，而且相對簡單，但是限制整個(gè)反應(yīng)速率的反應(yīng)步驟仍然有爭議，因?yàn)殡姌O的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（通常是多孔材料，而不是簡單的平面表面）阻礙了對原子水平現(xiàn)象的研究。由于對這些裝置中發(fā)生反應(yīng)的詳細(xì)了解，對進(jìn)一步提高燃料電池的性能和耐用性至關(guān)重要，因此，面臨的挑戰(zhàn)是了解微觀結(jié)構(gòu)如何影響不同界面上原子的排列——從而影響反應(yīng)。

九州大學(xué)稻盛縣前沿研究中心(INAMORI Frontier research Center)領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的小組負(fù)責(zé)人小山道久(Michihisa Koyama)說：計(jì)算機(jī)模擬在預(yù)測和理解我們無法在原子或分子尺度上輕易觀察到的反應(yīng)方面發(fā)揮了強(qiáng)大作用。然而，大多數(shù)研究都假設(shè)簡化結(jié)構(gòu)以降低計(jì)算成本，而這些系統(tǒng)無法再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和行為。科學(xué)家們旨在克服這些缺點(diǎn)，通過對電極活性部位原子的實(shí)際位置進(jìn)行微觀觀察，將帶有精細(xì)參數(shù)模擬應(yīng)用到關(guān)鍵界面的真實(shí)模型中。

利用九州大學(xué)超顯微研究中心的力量，研究人員利用原子分辨率電子顯微鏡仔細(xì)觀察了燃料電池薄片的原子結(jié)構(gòu)?；谶@些觀察結(jié)果，研究人員用相同的原子結(jié)構(gòu)，重建了所觀察到兩種典型排列的計(jì)算機(jī)模型。然后用一種叫做反應(yīng)力場分子動(dòng)力學(xué)的方法，來模擬氫和氧在這些虛擬燃料電池中的反應(yīng)，這種方法使用一組參數(shù)來近似原子之間的相互作用，甚至是化學(xué)反應(yīng)，而不需要考慮嚴(yán)格量子化學(xué)計(jì)算的全部復(fù)雜性。在這種情況下，研究人員使用了一組改進(jìn)的參數(shù)，這些參數(shù)是與東京大學(xué)Yoshitaka Umeno的團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)。

通過對不同模型系統(tǒng)進(jìn)行多次模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)，所需的反應(yīng)更有可能發(fā)生在孔徑較小的層中。此外還發(fā)現(xiàn)了一種新的反應(yīng)途徑，在這種反應(yīng)途徑中，氧以一種可能降低性能和耐久性的方式在體層中遷移。因此，在研究人員設(shè)計(jì)改進(jìn)的燃料電池時(shí)，應(yīng)該考慮避免這種潛在反應(yīng)路線的策略。目前只能通過觀察真實(shí)世界的系統(tǒng)來獲得這些見解，在未來希望看到更多的人使用真實(shí)原子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是在顯微鏡觀察的基礎(chǔ)上重建，用于模擬，以理解無法在實(shí)驗(yàn)室輕松測量和觀察的現(xiàn)象。

博科園｜研究/來自：九州大學(xué)

參考期刊《化學(xué)通訊》

DOI: 10.1038/s42004-019-0148-x

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