能源危機和環(huán)境問題是當今世界的熱點,在我國尤其嚴重,由于過度的煤炭開采和消耗,產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境問題。所以研究者將目光轉移到了清潔能源上,比如風能、太陽能、地熱能等等。但是上述能量形式不能夠穩(wěn)定的給人類供能,所以人們用儲能裝置將它們轉化成化學能儲存起來供人類穩(wěn)定的使用,而全釩液流電池就是21世紀最有前途的儲能裝置之一。其未廣泛應用受制于其中的質子交換膜,而對質子交換膜的實驗研究由于無法克服其中多因素耦合的干擾,這樣無法從實驗上研究,所以本文用經(jīng)典分子動力學模擬的方法,用單壁功能化碳納米管簡化了全釩液流電池質子交換膜的離子通道,從而可控的對影響質子交換膜的理想結構的單一因素進行研究。首先,本文研究了體相溶液中釩離子的水合結構,根據(jù)水合大小影響離子在通道中的傳遞,由于前人的模擬研究集中在只有釩離子存在的水溶液中釩離子的的水合結構,所以本文根據(jù)全釩液流電池溶液的實際情況,分別研究了硫酸根和水合質子對釩離子水合結構的影響,最后根據(jù)釩離子水合結構給出了質子交換膜通道大小的建議尺寸在4.12~8.14?的范圍內,這樣有利于質子的傳遞同時阻礙釩離子的滲透。隨后,本文研究了通道尺寸和氟修飾對釩滲透和質子傳遞的影響。通過Adaptive Biasing Force(ABF)計算方法計算通道中離子的勢能分布,分析了不同釩離子以及水合質子進入離子通道的滲透勢壘從而得出質子交換膜傳導質子阻釩的最佳尺寸是10.8?。而且隨著離子通道尺寸的減小還根據(jù)釩離子在通道內的水合結構得出釩滲透的機理。在此節(jié)的末尾還研究了氟修飾對釩離子傳遞的影響。由于有研究指出在實際的全釩液流電池質子交換膜離子通道中存在電場,所以本文先發(fā)現(xiàn)電場狀態(tài)下釩離子水合結構被削弱,在電場為1V/nm時釩離子不以團簇的形式存在于溶液中,這樣明顯對阻釩是不利的。隨后本文就研究在1V/nm電場下離子通道中磺酸基團分布對釩離子在離子通道的影響。最后發(fā)現(xiàn)在磺酸基團距離為8.44?時阻釩效果最好,同時傳導質子的效果也很好。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM912

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本文編號：2825983