Nafion膜复杂微结构的分子动力学研究

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• 英文论文题名：Molecular Dynamics Simulation of the microstructure in Nafion membranes
• 论文作者：陈文多 ; 李云琦
• 英文论文作者：Wenduo Chen ; Yunqi Li ; Key Laboratory of Synthetic Rubber ; Changchun Institute of Applied Chemistry ; Chinese Academy of Sciences
• 年：2016
• 作者机构：中国科学院长春应用化学研究所;
• 论文关键词：Nafion膜 ; 微结构 ; Gay-Berne势 ; 粗粒化 ; 离子簇网络模型
• 会议召开时间：2016-08-25
• 会议录名称：中国化学会2016年软物质理论计算与模拟会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：TB383.2
• 学会代码：ZGHY
• 会议名称：中国化学会2016年软物质理论计算与模拟会议
• 会议地点：中国天津
• 主办单位：中国化学会
• 学会名称：中国化学会
• 页数：2
• 文件大小：233k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

微结构的清晰阐述与精确调控是理解质子交换膜Nafion性能背后的物理机制,优化质子传导率的最有效手段1。尽管水合Nafion膜的微相分离形貌已被广泛接受,但是分子水平上膜的微结构模型及其在质子传导过程中的协同变化还一直存在争议。本项目利用分子动力学模拟方法,首次引入Gay-Berne椭球势考察Nafion主链的取向异质性对微结构的影响。通过Nafion膜的微结构和形貌,及其对不同水含量λ依赖性的定量分析,对比相应的实验表征,发现Nafion干膜没有出现明显的相分离形貌,而湿膜(λ=8)出现了清晰的相分离形貌,并呈现出球形水簇状结构,与经典的反胶束离子簇网络结构模型一致2。进一步研究表明水簇的平均尺寸为3.8nm,与现有的实验结果定量一致2。该研究说明基于Nafion分子结构片段的精确建模与各向异性考虑,有助于模拟与实验在结构分析上的定量吻合。
The clarification of the microstructure of Nafion membrane is the crucial to bridge components,fabrication with performance relationship.In order to reliably present the microstructure and its response to proton conduction,we preformed molecular dynamics simulations equipped with an anisotropic energy function.The parameters engaged in the simulation are explicitly generated from atomic structures.Our simulation results show that the hydrated Nafion membranes present typical phase-separated morphology as that revealed from numerous experiments.We also validated that the spatial distribution of the ionic clusters,follows one of the most classic cluster-network model,with the average size of the spherical ionic clusters 3.8 nm,quantitatively agree with experimental characterization.This work suggests that the accuracy of parameters in coarse-grained modeling as well as the introduction of anisotropic consideration for rigid polymers both have key importance to present quantitatively match of simulation to experimental approaches.

引文

[1]Liu,L.;Chen,W.;Li,Y.J.Membr.Sci.2016,504:1-9.
    [2]Hsu,W.Y.;Gierke,T.D.J Membrane Sci.1983,13:307.