項(xiàng)目類別：人才計(jì)劃
參與人員：李云琦
起止日期：2014.1-2017.12
開展多尺度、多學(xué)科交叉方法研究化學(xué)電源高分子膜材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。探索離子在不同高分子復(fù)合膜中的傳導(dǎo)機(jī)制，闡述調(diào)控優(yōu)化化學(xué)電源性能的可實(shí)施技術(shù)路線，為推進(jìn)低成本、高性能、環(huán)境友好的、可持續(xù)性發(fā)展能源的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。
圍繞化學(xué)電源高分子膜材料，本人將致力于以下兩方面的研究。其一是與低碳化學(xué)電源實(shí)驗(yàn)室的課題組合作，參與低成本、高性能的質(zhì)子交換膜燃料電池的研究與開發(fā)。可產(chǎn)業(yè)化的質(zhì)子交換膜具有以下特點(diǎn)：高質(zhì)子傳導(dǎo)性、離子交換容量、化學(xué)/熱穩(wěn)定性、拉伸抗張強(qiáng)度；適度的機(jī)械加工性能、含水率、水合溶脹率；以及低電導(dǎo)性、燃料滲漏性、電滲作用以及成本等。目前低碳化學(xué)電源實(shí)驗(yàn)室在直接甲醇燃料電池(DMFC)的研究已取得階段性成果，接近于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。但仍有若干基礎(chǔ)問(wèn)題未能明確解釋，深入研究這些問(wèn)題將有助于電池性能的進(jìn)一步優(yōu)化。典型的基礎(chǔ)問(wèn)題如質(zhì)子在高分子膜中的輸運(yùn)機(jī)制、摻雜粒子對(duì)甲醇滲漏的屏蔽機(jī)理、高分子膜與催化層結(jié)合后活性位點(diǎn)分布及活性影響以及如何使高分子膜與膜電極復(fù)合體（MEA）性能同步提升等亟需明確。為此，本課題組將在提升電池膜性能的一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論、計(jì)算機(jī)模擬和一些實(shí)驗(yàn)手段如小角X光散射（SAXS）、X光吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)等對(duì)高分子膜本體、催化中心等進(jìn)行深入研究，進(jìn)而闡明由高分子膜貢獻(xiàn)電池性能提升的內(nèi)在因素。在高分子膜本體中，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和SAXS，根據(jù)高分子膜網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度、離子逾滲通道和甲醇逾滲通道在一定溫度、濕度下與H2n+1On+、甲醇分子的平均自由程之間的關(guān)系、考察在特征高分子網(wǎng)絡(luò)中的質(zhì)子輸運(yùn)機(jī)理問(wèn)題。此外，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬與XAFS結(jié)合，可以明確催化中心的化學(xué)環(huán)境，從而明晰提高貴重的鉑系催化劑利用率、活性的方法。這一部分將深入發(fā)揮本人多年在小角散射研究高分子復(fù)雜體系以及多尺度計(jì)算機(jī)模擬的研究經(jīng)歷，從新的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)電源高分子膜材料，理論與實(shí)踐相結(jié)合建立開發(fā)低成本高效能電池的技術(shù)路線。
其二是結(jié)合理論、分子模擬與生物信息學(xué)方法，對(duì)已報(bào)道的近萬(wàn)篇文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，收集與化學(xué)電源高分子膜組成、結(jié)構(gòu)及電池性能相關(guān)的數(shù)據(jù)，建立具有代表性和完備性的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)將盡可能地收集包含高分子的特性參數(shù)（如分子量、嵌段聚合物組成、主鏈結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、鏈剛性、親水性/疏水性、帶電集團(tuán)屬性、電荷密度等）、摻雜粒子特性（如有機(jī)/無(wú)機(jī)粒子、水親和性、粒徑分布、表面帶電性質(zhì)、電導(dǎo)率、與高分子膜/催化層的相容性等）、膜結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括厚度、水接觸角、楊氏模量、屈服模量、微納米孔徑分布、溶脹率、吸水性和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等）、環(huán)境條件（如溫度、濕度、壓力等）等因素，以及膜性能的主要指標(biāo)（如離子傳導(dǎo)率、離子交換容量、電導(dǎo)率或燃料滲漏率）。由于這些因素的類型分散性和數(shù)值不歸一化性，很難給出顯式的表達(dá)公式，非常有必要采用生物信息學(xué)方法如支持向量機(jī)器學(xué)習(xí)方法(SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(NN)、基因遺傳算法(GA)和隨機(jī)森林算法(RF)等對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次、大規(guī)模回歸或聚類分析。以提高膜性能參數(shù)為目標(biāo)，找出可靠的、具有一定普適性的、定量或半定量的關(guān)聯(lián)關(guān)系。進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的物理模型，開展計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證或修正、闡述這些關(guān)聯(lián)性背后的物理機(jī)制，為長(zhǎng)遠(yuǎn)的化學(xué)電源膜材料開發(fā)建立系統(tǒng)的理論模型。這一方面的研究將充分結(jié)合本人在高分子物理、大分子化學(xué)、生物信息學(xué)和對(duì)復(fù)雜體系復(fù)合物的研究經(jīng)歷，利用物理、化學(xué)和材料科學(xué)的一些基礎(chǔ)理論，綜合已報(bào)道的一系列就離子傳導(dǎo)、高分子材料潤(rùn)濕、相分離、分子-離子間相互作用等的物理模型，全面闡述化學(xué)電源高分子膜材料的特殊性、形成機(jī)制及可能的調(diào)控方法。