文档介绍：中图分类号: 单位代号: 11903 密级: 学号: 0581000 4 博士学位论文 SHANGHAI UNIVERSITY DOCTORAL DISSERTATION 题目质子交换膜中甲醇迁移及其机理的分子动力学模拟研究作者纪晓波学科专业材料学导师陆文聪教授严六明研究员完成日期二零零八年十二月上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合上海大学博士学位论文质量要求。答辩委员会主任: 姓名: 单位: 职称: 委员: 姓名: 单位: 职称: 姓名: 单位: 职称: 姓名: 单位: 职称: 姓名: 单位: 职称: 导师: 姓名: 单位: 职称: 答辩日期: 年月日原创性声明本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名: 日期: 本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留论文及送交论文复印件, 允许论文被查阅和借阅; 学校可以公布论文的全部或部分内容。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名: 导师签名: 日期: 上海大学工学博士学位论文质子交换膜中甲醇迁移及其机理的分子动力学模拟研究姓名: 纪晓波导师: 陆文聪教授严六明研究员学科专业:材料学上海大学材料科学与工程学院二零零八年十二月 A Dissertation Submitted to Shanghai University for the Doctor ’s Degree in Engineering Molecular dynamics simulation e of methanol transport and mechanism in proton exchange membrane Ph. D. Candidate : Ji Xiaobo Supervisor : Prof. Lu Wencong Prof. Yan Liuming Major : Material Science School of Material Science and Engineering Shanghai University December , 2008 上海大学博士学位论文摘要 I 摘要以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池( DMFC )由于具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优异特性,已被广泛认为是新一代电动汽车的最佳候选电源,并且在其它便携式小型电源、家庭用热电联供系统、分散电站等方面具有广阔的应用前景。目前, DMFC 开发与大规模应用所面临的一个重要问题是甲醇穿透问题。所谓甲醇穿透是指甲醇由阳极透过质子交换膜穿透到阴极的现象。穿透到阴极的甲醇在 Pt催化剂的作用下与 O 2发生化学氧化反应,产生“混合过电位”效应,从而降低了阴极电位和能量转换效率,并造成燃料的浪费以及阴极需氧量的增加;同时,甲醇穿透还对阴极电极结构、流场以及 DMFC 电池组的设计都有很大的影响。因此,深入细致地研究全氟磺酸( PFSA )质子交换膜的微观结构和性能;质子、中性甲醇分子和水分子等在膜中的分布与迁移;以及膜的微观结构和质子、甲醇分子、水分子等迁移性质的关系,是当前燃料电池领域最热门的前沿研究课题之一。但由于实验条件和研究对象的限制,采用分子动力学( MD )模拟方法研究质子交换膜中中性分子的迁移就显得非常必要。本论文从分子水平出发,利用 MD 模拟方法对甲醇水溶液水化的 PFSA 质子交换膜的微观结构,电场作用下中性甲醇分子和水分子在 PFSA 质子交换膜中的电渗迁移和扩散迁移性质以及影响电渗迁移的重要因素进行了深入的研究,并对中性分子的电渗迁移机制进行了探讨,本论文的主要研究工作如下: 开发了合适的 PFSA 分子间(内)相互作用位能函数。分子间(内)相互作用位能函数是 MD 模拟的基础,文献报导的数据往往由于参数不全、分子体系不全、移植性欠佳等原因,难以直接引用。我们在文献报导的位能函数模型的基础上,采用量子化学从头算方法对 PFSA 分子间(内)相互作用位能函数进行优化和补充。提出了 GAUSSIAN 函数形式的二面角转动位能函数模型。一个二面角转动引起的能量变化比较复杂时,通常用多项具有不同周期的余弦函数、正弦函数或正余弦复合函数来表示。这样的解决方案使参数计算过程变得非常复杂。根据二上海大学博士学位论文摘要 II 面角转动过程中构象和能量的关系,本文提出了新的位能函数模型并成功描述了 1,2- 二卤代乙烷分子中二面角 X-C-C- Y 转动引起的能量变化和分子绕 C-C单键引起的能量变化。与原有二面角转动位能参数计算过程相比,新模型更简单,方便快速,