与传统电动汽车相比，氢动力汽车的广泛采用要求燃料电池能够将氢和氧安全地转化为水，这是一个严重的实施问题。

加州大学博尔德分校的研究人员正在开发新的计算工具和模型，以更好地理解和管理转换过程，从而解决这一障碍的一个方面。Hendrik Heinz是化学和生物工程系的副教授，正与洛杉矶加利福尼亚大学合作。他的团队最近在《科学进步》杂志上发表了关于这一课题的新发现。

燃料电池电动汽车将储氢罐中的氢气与从空气中获取的氧气结合起来，产生运行所需的电力。它们不需要插上电源充电，还有一个额外的好处，就是产生水蒸气作为副产品。这些，加上其他因素，使其成为绿色和可再生能源运输领域一个有趣的选择。

Heinz说，使这些车辆可行的一个关键目标是在燃料电池中找到一种有效的催化剂，这种催化剂可以在安全行驶所需的受控条件下与氧气一起“燃烧”氢气。同时，研究人员正在寻找一种能在接近室温的条件下，在酸性溶液中高效长寿命的催化剂。铂金属是常用的，但预测反应和最佳材料用于放大或不同的条件一直是一个挑战。

“几十年来，研究人员一直在努力预测这项工作所需的复杂过程，尽管在使用纳米板、纳米线和许多其他纳米结构方面取得了巨大进展，”Heinz说为了解决这个问题，我们开发了金属纳米结构和氧、水和金属相互作用的模型，这些模型的精确度超过了目前量子方法的10倍以上。这些模型还能够包含溶剂和动力学，并揭示了氧表面可及性与氧还原反应中催化活性之间的定量关联。”

Heinz说，他的团队开发的定量模拟显示了氧分子之间的相互作用，因为它们在铂表面遇到不同的水分子层屏障。这些相互作用决定了后续反应是慢还是快，需要对其进行控制才能有效地进行。这些反应发生得相当快——转化为水大约需要每平方纳米一毫秒的时间——并且发生在一个微小的催化剂表面。所有这些变量都以一种复杂的“舞蹈”形式出现，他的团队已经找到了一种预测性建模的方法。

Heinz补充说，论文中描述的计算和数据密集型方法可以用来创建设计的纳米结构，以最大限度地提高催化效率，以及可能的表面修饰，以进一步优化燃料电池的成本效益比。他的合作者们正在探索这一方面的商业意义，他正在应用这些工具来帮助研究更广泛的潜在合金，并进一步深入了解正在发挥作用的力学。

他说：“论文中描述的工具，特别是用于数量级更可靠分子动力学模拟的界面力场，也可以应用于其他催化剂和电催化剂界面，取得类似的突破性和实际有用的进展。”。