质子交换膜微结构中质子输运复杂行为的模拟研究

Proton transport in proton exchange membranes is a key issue to improve the performance of proton exchange membrane fuel cell. Tuning the microstructure is one of the most promising technologies to realize it. However, the relationship between microstructure and proton transport in proton exchange membranes remains unclear. The crystalline domain composed by sulfonated copolymer plays an important role in the microstructure and proton conduction, but none of computer simulation works has considered such phase domain originated from the anisotropic properties of the polymer units. We introduced Gay-Berne potential to describe such anisotropy in coarse grained molecular dynamics simulation. The influences of molecular weight, temperature, water uptake and the hot-pressing conditions for fabricating membrane electrode assembly on the microstructure and proton transport in the proton exchange membranes will be investigated. Such knowledge will facilitate more realistic understanding of the relationship between microstructure and proton transport behavior, and further provide guidelines for rational design proton exchange membranes with enhenced performance.

质子交换膜中的质子输运行为是认识和发展质子交换膜燃料电池的核心问题。微结构调控是目前优化膜性能的最有效手段，然而对微结构与质子输运之间的联系仍然缺乏系统的理论陈述。本项目利用粗粒化的分子动力学方法，引入Gay-Berne椭球势考察磺酸基聚合物单元的各向异性，研究这种具有嵌段、梳状和两亲性结构的聚合物自组装形成的微晶相，并探索含微晶相结构的质子交换膜中质子的输运行为。在此基础上，研究不同因素如分子量、水含量、温度以及复合电极制作中的高温热压过程等对质子交换膜微结构和质子输运行为的影响；阐述与质子交换膜性能相关的经验和半经验公式在分子层面的具体体现。本项目的研究可以为理性设计微结构从而制备高性能质子交换膜提供理论基础和技术指导。

本项目利用粗粒化模型和分子动力学模拟方法，辅助散射实验和大数据统计，明晰全氟磺酸离聚物的组装结构，表征含有微晶相的质子交换膜的形貌和微结构。引入Gay-Berne椭球势考察磺酸基聚合物单元的各向异性，研究这种具有嵌段、梳状和两亲性结构的聚合物组装结构及其形成的微晶相；研究不同因素如分子量、水含量以及温度等对质子交换膜Nafion微结构的影响。发现随着水含量的增加，Nafion的亲水相逐渐从独立的球形团簇向连通的团簇/管道过渡；水含量越多，相分离现象越显著，同时伴随着主链结晶度的降低；侧链变短，相分离现象变得不明显，同时结晶度降低；分子当量增加，相分离现象变得更加明显，结晶度增加；随着温度和水含量的增加，质子传输速度越快。本工作将计算机模拟，散射实验和大数据结合，探索不同的加工条件和加工工艺对结构以及质子输运行为的影响，建立定量的结构-性能关系，发展了一条切实可行的计算机辅助材料设计路线。