想象一下，一辆依靠太阳能发电的汽车，产生水而不是碳排放。虽然这样的车辆不会很快上市，但威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员正在燃料电池技术方面取得渐进但重要的进步，这些技术可以使清洁汽车成为现实。
材料科学与工程助理教授戴恩摩根和博士。学生Edward(Ted)Holby开发了一种计算模型，可以优化燃料电池的重要组成部分，使该技术可以更广泛地使用。基本上，他们研究了颗粒尺寸如何与材料的整体稳定性相关，并且他们的模型已经表明，增加燃料电池催化剂的颗粒尺寸会降低降解并因此增加燃料电池的使用寿命。
燃料电池是促进氢和氧之间反应，产生电能和形成水的电化学装置。在摩根研究的燃料电池类型中，称为质子交换膜燃料电池或PEMFC，氢在燃料电池(阳极)的一侧分裂成质子和电子。质子移动通过器件，同时电子被迫在外部电路中传播，在那里它可以执行有用的工作。在燃料电池(阴极)的另一侧，质子，电子和氧结合形成水，这是唯一的废物。
虽然前提听起来很简单，但生产高效燃料电池以供广泛使用存在多个障碍。其中一个障碍是添加催化剂以帮助阴极处的质子，电子和氧之间的反应。目前的燃料电池使用铂和铂合金作为催化剂。虽然铂可以承受腐蚀性燃料电池环境，但它昂贵且不是很丰富。
为了最大限度地利用铂，研究人员使用的催化剂使用的铂颗粒小至2纳米，大约10个原子。这些微小结构具有大的表面积，燃料电池发生在该表面上。然而，这种小的铂催化剂很快就会降解。
“通过思考奶酪，可以直观地理解体相与纳米粒子材料的稳定性，”摩根说。“当你把一大块奶酪放出去，边缘变硬时，表面会被破坏，但是你可以把它切掉，里面还有很多奶酪。
“但是，如果你将奶酪碎成碎片并将其丢弃，你会破坏所有的奶酪，因为大部分奶酪都在表面。”
快速的催化剂降解意味着燃料电池不会持续很长时间，能源部估计燃料电池必须运行5000小时，或连续使用约7个月才能实现汽车能源解决方案的实用性。
与麻省理工学院的Yang Shao-Horn教授合作的Morgan和Holby已经找到了解决快速降解问题的可能方案：当谈到催化剂颗粒尺寸时，有时更小也不是更好。
他们的建模工作由3M和能源部资助，表明如果铂催化剂的颗粒尺寸增加到四或五纳米，即大约20个原子，则降解水平显着降低。这意味着催化剂和燃料电池作为一个整体可以比粒径仅为2或3纳米的情况下更长时间地起作用。
随着科学家将铂金研究扩展到探索铂合金，研究粒度基本物理学将是有用的，铂合金在用作燃料电池催化剂时可以减少铂的消耗。摩根开始研究模型来研究尺寸对铂合金稳定性的影响，例如铜 – 铂和钴 – 铂催化剂。
“燃料电池只是众多能源技术中的一种 – 太阳能，电池等 – 具有巨大的潜力，可以减少我们对石油和碳排放的依赖，”摩根说。“计算机模拟提供了一种强大的工具来理解和开发这些能源技术核心的新材料。