全氟磺酸膜中質(zhì)子限域結(jié)構(gòu)和遷移特性的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、燃料電池被認(rèn)為是未來主要的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。質(zhì)子交換膜燃料電池不僅具有一般燃料電池的普遍優(yōu)點(diǎn)，而且還擁有啟動(dòng)時(shí)間短、效率高等優(yōu)異特性。一直以來備受廣泛關(guān)注與研究，也是未來氫能時(shí)代理想的節(jié)能技術(shù)之一。質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池中核心的部件。目前，全氟磺酸膜（PFSA）是質(zhì)子交換膜的首選，但是其在高溫下性能降低。減短PFSA膜側(cè)鏈長度以及在膜內(nèi)引入其他親水性材料都可以改善PFSA在高溫下的性能。羥基化的 SiO2納米顆粒具有較強(qiáng)的親水能力，

2、但是其對優(yōu)化質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)制依然不甚明確。故本文以短側(cè)鏈全氟磺酸膜（Hyfion）以及Hyfion/SiO2共混膜作為研究對象，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，分別探究了純Hyfion膜和Hyfion/SiO2共混膜在傳導(dǎo)質(zhì)子的過程中質(zhì)子的傳遞機(jī)理以及不同溫度和含水量對膜傳導(dǎo)性能的影響。
　　本研究首先模擬了純 Hyfion膜模型，通過數(shù)據(jù)分析分別考察了膜通道內(nèi)部水合質(zhì)子與水分子的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)一步探究了膜通道內(nèi)部水合質(zhì)子的遷移機(jī)制。研

3、究結(jié)果表明，水化膜中會(huì)形成微相分離結(jié)構(gòu)，其疏水區(qū)域由聚合物主鏈構(gòu)成，而親水區(qū)則為由水分子、水合質(zhì)子和磺酸基團(tuán)構(gòu)成，由水通道連接兩相。在含水量λ=3.2和5.8時(shí)，水分子的擴(kuò)散系數(shù)Dw分別為0.11×10?5 cm2/s和0.37×10?5 cm2/s，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相符。在膜通道內(nèi)部，水合質(zhì)子主要以水合結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)主要為H5O2+、H7O3+、H9O5+，在不同的含水量下，不同水合結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散情況不同。其中H7O3+結(jié)構(gòu)在每個(gè)含水量

4、下的概率大約都為0.38左右。然后，在純膜體系中直接加入了SiO2納米顆粒，構(gòu)建了Hyfion/ SiO2混合膜模型，以探究SiO2納米顆粒在高溫下在膜中的保水能力。在Hyfion/SiO2混合膜中，我們發(fā)現(xiàn)水合質(zhì)子在混合膜中的擴(kuò)散能力明顯強(qiáng)于純 Hyfion膜的擴(kuò)散能力。其微觀結(jié)構(gòu)圖顯示SiO2顆粒周圍被水分子包圍，經(jīng)研究表明，SiO2顆粒表面的羥基會(huì)與水分子產(chǎn)生氫鍵作用。硅羥基與水分子在形成的氫鍵結(jié)構(gòu)中，羥基不僅可以作為供體提供氫原