全钒液流电池钒离子水合结构及渗透机理研究

发布时间：2020-09-24 16:42

　　 能源危机和环境问题是当今世界的热点,在我国尤其严重,由于过度的煤炭开采和消耗,产生了严重的环境问题。所以研究者将目光转移到了清洁能源上,比如风能、太阳能、地热能等等。但是上述能量形式不能够稳定的给人类供能,所以人们用储能装置将它们转化成化学能储存起来供人类稳定的使用,而全钒液流电池就是21世纪最有前途的储能装置之一。其未广泛应用受制于其中的质子交换膜,而对质子交换膜的实验研究由于无法克服其中多因素耦合的干扰,这样无法从实验上研究,所以本文用经典分子动力学模拟的方法,用单壁功能化碳纳米管简化了全钒液流电池质子交换膜的离子通道,从而可控的对影响质子交换膜的理想结构的单一因素进行研究。首先,本文研究了体相溶液中钒离子的水合结构,根据水合大小影响离子在通道中的传递,由于前人的模拟研究集中在只有钒离子存在的水溶液中钒离子的的水合结构,所以本文根据全钒液流电池溶液的实际情况,分别研究了硫酸根和水合质子对钒离子水合结构的影响,最后根据钒离子水合结构给出了质子交换膜通道大小的建议尺寸在4.12~8.14?的范围内,这样有利于质子的传递同时阻碍钒离子的渗透。随后,本文研究了通道尺寸和氟修饰对钒渗透和质子传递的影响。通过Adaptive Biasing Force(ABF)计算方法计算通道中离子的势能分布,分析了不同钒离子以及水合质子进入离子通道的渗透势垒从而得出质子交换膜传导质子阻钒的最佳尺寸是10.8?。而且随着离子通道尺寸的减小还根据钒离子在通道内的水合结构得出钒渗透的机理。在此节的末尾还研究了氟修饰对钒离子传递的影响。由于有研究指出在实际的全钒液流电池质子交换膜离子通道中存在电场,所以本文先发现电场状态下钒离子水合结构被削弱,在电场为1V/nm时钒离子不以团簇的形式存在于溶液中,这样明显对阻钒是不利的。随后本文就研究在1V/nm电场下离子通道中磺酸基团分布对钒离子在离子通道的影响。最后发现在磺酸基团距离为8.44?时阻钒效果最好,同时传导质子的效果也很好。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912

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本文编号：2825983