基于原子级分子动力学模拟的聚烯烃基阴离子交换膜的氢氧根传输与力学性能研究

阴离子交换膜用于碱性燃料电池，为更昂贵的质子交换膜燃料电池提供了一种有前景的替代方案。然而，阴离子交换膜中的氢氧根离子电导率较低，寻找具有优异离子电导率、机械鲁棒性和化学稳定性的膜的研究仍在继续。在本研究中，我们使用经典分子动力学模拟来研究八种不同水合聚烯烃基膜中的氢氧根离子传输和力学性能，以在分子水平上理解这些体系中的结构-功能关系。我们考察了膜的微观结构，发现具有窄空腔尺寸分布的聚合物中，水分子围绕氢氧根离子的堆积更紧密。我们估算了水和氢氧根离子的自扩散系数，发现在所有体系中，水分子的扩散系数均高于氢氧根离子。氢氧根扩散的趋势与实验电导率测量结果吻合良好。水促进了氢氧根的扩散，当同一聚合物化学组成的水合水平变化时，这一点可以清晰地观察到。在具有窄空腔和紧密结合氢氧根离子的体系中，氢氧根扩散最低，这突显了水通道促进氢氧根传输的事实。最后，我们施加单轴形变来计算这些体系的力学性能，发现具有较高水合度的聚合物表现出较差的力学性能。原子级分子动力学模型能够准确捕捉阴离子交换膜中氢氧根传输与力学性能之间的权衡，并使我们能够更高效地筛选新的候选材料。