磺化聚苯醚膜质子扩散的分子动力学模拟研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:weibiechao
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磺化聚苯醚(SPPO)是一种物理化学性能稳定、导电性好的高分子材料,理论研究SPPO膜传导的微观机制,对提高质子交换膜材料的传导能力具有指导意义。本文利用分子动力学方法,研究了SPPO膜对水分子(H2O)和水合氢离子(H3O+)的传输特性,主要完成工作如下:(1)建立水和磺酸比λ分别为5、8、11、14的四种体系模型,对其进行能量、几何和退火优化,得到了稳定的平衡态构型,采用分子动力学模拟的方法,研究其扩散性质,计算了SPPO膜的密度ρ、径向分布函数RDF、均方位移MSD、扩散系数D和电导率σ。结果表明:SPPO膜的ρ随着λ的增大而减小。对SPPO膜的RDF分析表明,在SPPO分子链上碳骨架为疏水基团而电负性强的磺酸根为亲水基团,由于H3O+与磺酸根间有静电力的作用,使得H3O+比H2O更接近磺酸根基团。H3O+是在H2O的包裹下进行传输。H3O+和H2O两种粒子的MSD都随时间t线性增大。当λ从5增加到14时,水分子的扩散系数Dw从1.33×10-10 m2·s-1增加到10.67×10-10 m2·s-1,水合氢离子的扩散系数Dh从0.50×10-10 m2·s-1增加到5.00×10-10 m2·s-1,σ也从0.0056 S·cm-1增加到0.0382 S·cm-1,即膜中两种粒子的D和σ都随着λ的增大而增大,可见含水量对膜的传输性能有很大影响。(2)建立磺化度DS分别为15%、30%、50%的三种体系模型,采用分子动力学模拟的方法,研究其扩散性质,计算了SPPO膜的密度、径向分布函数、均方位移、扩散系数和电导率。结果表明:膜的ρ随着DS的增大而增大。SPPO膜的RDF分析表明,体系的硫原子间距离随着DS的增加而变短。H3O+和H2O两种粒子的MSD都随t线性增大。当DS从15%增到50%时,Dw从4.26×10-10 m2·s-1增加到10.67×10-10 m2·s-1,Dh也从0.76×10-10 m2·s-1增加到5.00×10-10 m2·s-1,σ也从0.0026S·cm-1增加到0.0382 S·cm-1,即膜中两种粒子的D和σ都随着DS的增大而增大,可见磺化度对膜的传输性能的影响很大。
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