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科学家的模拟为固体氧化物燃料电池反应提供了新见解，以基于显微镜观察电极活性位点的真实原子尺度模型为出发点，这种更好的理解可以为将来提高设备性能和耐用性提供线索。固体氧化物燃料电池极有希望用于清洁高效发电，它通过燃料与空气的电化学反应来发电。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设备的另一端，在那里它们与燃料发生反应，释放出多余的电子。 这些电子通过外面的电线流回到启动端，从而完成电路并为连接到电线上的任何东西供电。虽然这整个反应是众所周知的，而且相对简单，但是限制整个反应速率的反应步骤仍然有争议，因为电极的复杂结构（通常是多孔材料，而不是简单的平面表面）阻碍了对原子水平现象的研究。由于对这些装置中发生反应的详细了解，对进一步提高燃料电池的性能和耐用性至关重要，因此，面临的挑战是了解微观结构如何影响不同界面上原子的排列——从而影响反应。 九州大学稻盛县前沿研究中心(INAMORI Frontier research Center)领导这项研究的小组负责人小山道久(Michihisa Koyama)说：计算机模拟在预测和理解我们无法在原子或分子尺度上轻易观察到的反应方面发挥了强大作用。然而，大多数研究都假设简化结构以降低计算成本，而这些系统无法再现现实世界中发生的复杂结构和行为。科学家们旨在克服这些缺点，通过对电极活性部位原子的实际位置进行微观观察，将带有精细参数模拟应用到关键界面的真实模型中。 利用九州大学超显微研究中心的力量，研究人员利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，研究人员用相同的原子结构，重建了所观察到两种典型排列的计算机模型。然后用一种叫做反应力场分子动力学的方法，来模拟氢和氧在这些虚拟燃料电池中的反应，这种方法使用一组参数来近似原子之间的相互作用，甚至是化学反应，而不需要考虑严格量子化学计算的全部复杂性。在这种情况下，研究人员使用了一组改进的参数，这些参数是与东京大学Yoshitaka Umeno的团队合作开发。 通过对不同模型系统进行多次模拟，研究人员发现，所需的反应更有可能发生在孔径较小的层中。此外还发现了一种新的反应途径，在这种反应途径中，氧以一种可能降低性能和耐久性的方式在体层中迁移。因此，在研究人员设计改进的燃料电池时，应该考虑避免这种潜在反应路线的策略。目前只能通过观察真实世界的系统来获得这些见解，在未来希望看到更多的人使用真实原子结构，这些结构是在显微镜观察的基础上重建，用于模拟，以理解无法在实验室轻松测量和观察的现象。
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