質(zhì)子交換膜中質(zhì)子輸送過程的Monte Carlo模擬.pdf

1、摘要本論文采用Monte Carlo方法模擬了單質(zhì)子和多質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中的輸送過程。研究了質(zhì)子交換膜中質(zhì)子的輸送方式、導電性能及含磺酸基質(zhì)子交換膜的化學結構等，提出了質(zhì)子交換膜中新的質(zhì)子輸送模型，即單個質(zhì)子輸送的“雙組分無規(guī)行走”模型和多個質(zhì)子輸送的“足球賽場”模型。單質(zhì)子輸送的“雙組分無規(guī)行走”模型從含磺酸基質(zhì)子交換膜的結構特點及質(zhì)子可能輸送的方式出發(fā)，把聚合物膜看作由兩區(qū)域組分組成的體系，即疏水性的高聚物主鏈區(qū)部分和

2、鏈上可接受質(zhì)子的陰離子部分記作 A 組分，含水部分(也可能是摻雜酸后混合酸的那部分)記作B組分。質(zhì)子在此不同區(qū)域組分上有不同的躍遷概率，同時提出了一些假設，如質(zhì)子在兩維方格子按無規(guī)行走隨機發(fā)生運動、格子體系動態(tài)變化等。單質(zhì)子輸送模型研究了含水量(兩組分相對含量)、不同組分的躍遷概率、格子恢復時間、在不同組分上質(zhì)子躍遷距離等因素對擴散系數(shù)的影響。最后把模擬的結果與相關實驗資料進行了比較，證實該模擬運行結果與實驗數(shù)據(jù)中的含水量、

3、格子恢復時間等參數(shù)對質(zhì)子輸送過程的影響一致。 很多實驗數(shù)據(jù)都表明質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中輸送主要是鏈段運動和質(zhì)子躍遷雙重作用的結果，利用模擬參數(shù)模型可以把能夠輸送的質(zhì)子數(shù)表征為鏈段運動和質(zhì)子躍遷兩項和的形式。模擬多質(zhì)子輸送的“足球賽場”模型把質(zhì)子交換膜中可以接納質(zhì)子的聚合物鏈段當作最小單元，并假設每個鏈段由A/B這個整體組成，鏈段在格子上隨機分布，多個質(zhì)子在鏈段上隨機分布等假設。根據(jù)分析的不同影響因素調(diào)整模型，多質(zhì)子輸送的“足球賽