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表面活性剂对电解质溶液及质子交换膜燃料电池的影响

张楠  
【摘要】:在过去的二十年里,随着现代技术的发展及工业水平的不断提高,表面活性剂已形成了一个独立的工业体系,在生物、医药、化学,电子信息、新能源等领域具有重要的应用地位及影响。 电解质溶液在工业领域中也起着重要的作用,如采矿,三次采油,工业用水等方面,溶液中不同分子结构的聚电解质具有不同的化学性质及构象。研究聚电解质刷—表面活性剂复合物,可以更好的提高其使用性能。而燃料电池作为21世纪的绿色新能源,在其中引入表面活性剂这一负载型功能性的化工材料,更能提高能源的利用率,降低资源的浪费。因此研究表面活性剂和电解质溶液及燃料电池之间的相互影响具有重要的理论和实践意义。 到目前为止,对上述内容的研究基本上都是通过实验的方法进行的,本文第一次运用分子动力学模拟的方法分别研究平面聚电解质刷一表面活性剂复合物、圆柱聚电解质刷—表面活性剂复合物之间的相互作用,及在质子交换膜燃料电池的Nafion膜中引入表面活性剂对提高膜亲水性的影响。 分子动力学模拟是从粒子角度出发,计算粒子运动轨迹的一种方法。本文中分别根据两种聚电解质刷、Nafion膜及表面活性剂的分子结构建立粗粒化粒子模型,同时根据各粒子间的相互作用建立势能函数进行分子动力学模拟。 本文首先建立了平面聚电解质刷—表面活性剂的模型,分别研究了在两者带电量比率、溶液中抗衡离子化合价及平面聚电解质刷的接枝密度不同情况下复合物之间的相互作用及构象变化,通过分析各粒子的密度分布、平面聚电解质刷的平均厚度及抗衡离子的均方位移等参数,发现随着电量比率的增加及抗衡离子化合价的增加,复合物逐渐经过伸展—部分崩塌—全部崩塌三个过程的构象变化,这不仅是由于他们之间静电吸引里的作用,还有表面活性剂中性粒子的疏水作用;改变平面聚电解质刷的接枝密度,对平面聚电解质刷的平均厚度有影响。 对新合成的圆柱聚电解质刷与表面活性剂之间形成的复合物在两者电量比率不同及抗衡离子化合价改变的情况下做了研究。通过分析各粒子密度分布,圆柱聚电解质刷的旋转半径及均方末端距等参数得出:随着电量比率增大,圆柱聚电解质刷会经过杆状—螺旋状—马蹄状的过渡,复合物由逐渐崩塌—完全崩塌—膨胀变化;同时,增加抗衡离子化合价,复合物也由杆状逐渐变为球状,他们之间的相互作用和平面聚电解质刷的情况一致。通过模拟得到的结论与实验结果相符合。 Nafion膜作为质子交换膜燃料电池中所使用的隔膜,其具有高质子电导率、机械强度及化学稳定性好等优点,但其造价比较昂贵,并且具有截面积较大的憎水微畴,本文中根据表面活性剂的性质,将其加入到Nafion膜体系中,分析各粒子与水分子的径向分布函数,得出了表面活性剂可以提高Nafion膜的亲水性。 本文是第一次以数值模拟的方法对以上内容进行研究,所建立的模型可以应用到更复杂的系统中,其研究结果对于微观界面上加入聚电解质刷,降低界面摩性具有应用价值,同时对于应用质子交换膜燃料电池,提高电池的使用性能具有一定帮助。论文中的模拟方法和程序可被广泛应用到机械设计理论当中。


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