[發明專利]粗粒化分子動力學/蒙特卡洛模擬方法及質子交換膜材料

有效

• 申請號: 202010710715.1
• 申請日: 2020-07-22
• 公開（公告）號: CN111875826B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 張冬青;岳寶華;王兆敏;呂維妙;王慧
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;H01M8/1027;H01M8/1032;G06F30/20;C08L51/08
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發明屬于分子模擬技術領域，尤其涉及一種粗粒化分子動力學/蒙特卡洛模擬方法及質子交換膜材料，新型質子交換膜材料為聚砜接枝聚乙烯基磷酸(PSU?g?PVPA)，疏水的聚砜骨架和親水側鏈使該質子交換膜材料具有親水?疏水納米相分離結構；模擬方法包括：確定新型質子交換膜—聚砜接枝聚乙烯基磷酸的映射方案，構建PSU?g?PVPA粗粒化模型；確定溶劑水分子的映射方案，構建水分子粗粒化模型；建立水化PSU?g?PVPA體系。本發明克服了粗粒化分子動力學模擬中高分子鏈的位阻對其所能到達的相空間位置的限制，實現準各態歷經，使體系親水組分和憎水組分能夠分別聚集，順利實現納米相分離結構。

技術領域

本發明屬于分子模擬技術領域，尤其涉及一種粗粒化分子動力學/蒙特卡洛 模擬方法及質子交換膜材料。具體涉及一種分析新型質子交換膜納米相分離結 構的粗粒化分子動力學/蒙特卡洛模擬研究方法。

背景技術

目前，質子電導率和形狀穩定性是保證質子交換膜燃料電池(PEMFCs)穩定 工作的兩個核心性能指標。一般地，質子導電率與親水性相關，形狀穩定性與 憎水性相關。在具有納米相分離結構的質子交換膜中，膜的質子電導率和形狀 穩定性分別由質子交換膜中的親水亞相(hydrophilic subphases)和憎水亞相 (hydrophobic subphases)實現。因此，納米相分離結構是同時實現良好質子電導 率和形狀穩定性的結構基礎。

為了合成具有更優性能的質子交換膜材料，必須深入了解質子交換膜的結 構和性質。但是，表征納米結構的常用實驗技術如：透射電子顯微鏡(TEM)、小 角度x射線和中子散射(SAXS和SANS)以及核磁共振(NMR)，都有一定的的局 限性。隨著計算技術的發展，計算模擬在研究分子結構和性質方面起著越來越 重要的作用。利用分子模擬，可以深入理解質子交換膜的納米相分離結構，解 釋質子傳導機理，指導相關實驗的開展，節省研發時間，降低研發成本。

CGMD方法簡化了仿真系統的描述，提高了模擬仿真效率，在同等計算量 下可以研究更大尺度的，更復雜的體系。但是運用CGMD方法模擬具有長鏈特 性的質子交換膜體系時，需要面臨三個挑戰：粗粒子的劃分、粗粒化力場的構 建、長鏈聚合物馳豫問題。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：

(1)現有CGMD模擬技術在模擬高分子聚合物時，粗粒子的不同劃分方 法不僅需要匹配不同的力場模型，還會影響模擬系統的大小和精度。但是，分 子的粗粒化劃分并沒有嚴格的定義。因此，構建目標分子粗粒化模型時，應該 綜合考慮目標分子的結構特征，采取合理的粗粒化方法。

(2)現有CGMD模擬技術在模擬高分子聚合物時，需要構建符合自身實 驗方案的粗粒化力場模型。

(3)現有CGMD模擬技術在模擬高分子聚合物時，不能克服高分子鏈的 位阻對其所能到達的相空間位置的限制。

解決以上問題及缺陷的難度為：

(1)不同的粗粒化映射方案，匹配不同的粗粒化力場模型，成功建立粗粒 化力場模型是進行CGMD模擬的基礎。采用迭代玻耳茲曼反演法獲取粗粒化力 場的方法有其適用性和局限性，通過試錯法和綜合回歸法構建粗粒化力場，能 夠使模擬結果與實驗值匹配，保證了粗粒化力場的準確性。

(2)為了克服高分子鏈的位阻對其所能到達的相空間位置的限制，跨越體 系的能量障礙，研究人員多采用高溫高壓苛刻模擬條件對系統進行模擬。在苛 刻模擬條件下展開的分子動力學模擬與實際實驗環境中分子的運動是存在差異 的。

解決以上問題及缺陷的意義為：