聚合物和离子液体复合体系的计算机模拟

发布时间：2017-09-29 08:17

  本文关键词：聚合物和离子液体复合体系的计算机模拟

  更多相关文章： 聚合物 离子液体 质子交换膜 自组装 分子模拟 耗散粒子动力学

【摘要】：近年来,聚合物和离子液体复合体系越来越受到重视,广泛应用于质子交换膜、自组装、催化有机合成材料、响应性负载材料、功能性吸附材料等领域。采用计算机分子模拟的方法研究有助于人们弄清这一复合体系中的介观结构及影响因素,从而为新型材料的开发提供指导。本文将采用耗散粒子动力学方法研究这一复杂软物质体系。首先,我们模拟研究了离子液体含量和温度对Nafion-[Bmim][TfO]复合膜的介观结构的影响。结果发现了微相分离现象。对不同条件下的微相分离形成的孔径分析表明,随着离子液体在复合膜中含量的增加,离子液体在膜中的聚集形态由分散的团簇转变为连续的通道,但过高的含量会产生腔室结构。随着温度的上升,离子液体通道的结构变得更加复杂,原有的腔室结构转化为通道的新支路,即高温下离子液体通道变得更加连通。界面分布几率和径向分布函数的分析表明,离子液体的阳离子烷基链嵌进Nafion主链中,侧链磺酸基团分布的变化直接影响咪唑基团和阴离子在微相界面的分布。然后,我们系统探索了两亲性嵌段聚合物PB-b-PEO和离子液体[Bmim][PF6]的自组装相行为,研究了PB、PEO、[Bmim][PF6]比例变化对相态结构的影响,并分析相互之间的转化规律,并绘制作了这一复杂体系的三元相图。模拟结果发现在低聚合物浓度时,PB-b-PEO作为体系的分散相,在不同的嵌段比下能形成球状、棒状胶束、囊泡,薄片等结构。随着浓度增大,PB-b-PEO形成连续相,在不同的嵌段比下能形成蠕虫状胶束和枝状薄片、层状、管状和板块状结构,[Bmim][PF6]也由连续相逐渐向分散相转化,形成IL微相结构。最后,我们还模拟研究了离子液体[Bmim][BF4]复合膜介观结构,并与[Bmim][TfO]的复合膜作对比。研究发现膜内存在相似的微相分离,但整体上含[Bmim][BF4]的复合膜表现出更好的IL通道分布,这与阴离子在微相界面的分布有重要的相关关系。为了获得物质传导性能更好的单方向通道,我们加入PVdF-co-HFP构建共混膜进行模拟。研究发现,Nafion的共聚比会影响IL通道内的结构以及Nafion的分布;聚合物共混比会影响IL在膜内结构的连贯状态,从不连续的到单方向性到多方向性的结构;离子液体含量会直接影响IL连续相的形成。通过分析,当共聚比取11:1,共混比取10:90,离子液体含量取0.3时,能获得良好的单方向通道结构。
【关键词】：聚合物 离子液体 质子交换膜 自组装 分子模拟 耗散粒子动力学
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631;O645.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 耗散粒子动力学11-14
• 1.3 Flory-Huggins似晶格理论14-17
• 1.3.1 溶解度参数法计算 χ 参数15
• 1.3.2 混合能法计算 χ 参数15-16
• 1.3.3 无限稀释活度系数 δ∞关联aij16-17
• 1.4 质子交换膜应用17-22
• 1.5 自组装应用22-24
• 1.6 本论文的研究内容及研究意义24-25
• 第二章 耗散粒子动力学模拟Nafion-[Bmim][TfO]离子液体复合膜的介观结构25-37
• 2.1 引言25-26
• 2.2 模拟细节26-29
• 2.2.1 粗粒化模型及模型参数26
• 2.2.2 粗粒化参数的计算26-29
• 2.3 模拟结果与讨论29-35
• 2.3.1 不同含量的离子液体和温度对介观结构的影响29-31
• 2.3.2 微相界面的结构31-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第三章 嵌段聚合物PB-b-PEO在离子液体[Bmim] [PF6]中自组装的耗散粒子动力学模拟37-53
• 3.1 引言37-38
• 3.2 模拟细节38-40
• 3.2.1 粗粒化模型及模型参数38-39
• 3.2.2 模拟参数39-40
• 3.3 结果与讨论40-51
• 3.3.1 球状胶束和囊泡（Spherical micelles and vesicles）41-43
• 3.3.2 棒状胶束和蠕虫状（Rod-like and worm-like micelles）43-45
• 3.3.3 薄片和枝状薄片（Sheets and branched lamellae）45-47
• 3.3.4 层状(Lamellae)47-48
• 3.3.5 板块状(Platelets)48-49
• 3.3.6 管状(Tubes)49-51
• 3.3.7 IL微相结构（Structures of IL micro-phases）51
• 3.4 本章小结51-53
• 第四章 耗散粒子动力学模拟Nafion-[Bmim][BF4]离子液体复合膜及PVdF-co-HFP共混膜的介观结构53-66
• 4.1 引言53-54
• 4.2 模拟细节54-56
• 4.2.1 粗粒化模型及模型参数54-55
• 4.2.2 粗粒化参数的计算55-56
• 4.3 Nafion-[Bmim][BF4]离子液体复合膜的耗散粒子动力学模拟56-59
• 4.4 Nafion-PVdF-co-HFP-[Bmim][BF4]离子液体共混膜的耗散粒子动力学模拟59-64
• 4.4.1 Nafion共聚比对Nafion-PVdF-co-HFP-[Bmim][BF4]共混膜结构的影响60-61
• 4.4.2 共混比对Nafion-PVdF-co-HFP-[Bmim][BF4]共混膜结构的影响61-62
• 4.4.3 IL含量对Nafion-PVdF-co-HFP-[Bmim][BF4]共混膜结构的影响62-64
• 4.5 本章小结64-66
• 结论66-68
• 展望68-69
• 参考文献69-80
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• 附件82

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 余军;;Nafion/Silicon Oxide Composite Membrane for High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2007年03期

2 Fan Luo;Shijun Liao;Dan Chen;;Platinum catalysts supported on Nafion functionalized carbon black for fuel cell application[J];Journal of Energy Chemistry;2013年01期

3 刘汉虎;Nafion-H超强酸聚合物催化剂[J];现代化工;1984年04期

4 徐通敏,沈华奎,徐晓红,徐伯兴;Nafion交换剂富集-石墨炉原子吸收法测定废水中铬[J];环境科学;1990年05期

5 ;Photophysical Behaviors of Azobenzene in Solvent-Swollen Nafion Membranes[J];Chinese Chemical Letters;1996年10期

6 ;Investigation of the Interaction between Nafion and Several Trisbipyridyl Complexes by Spectroscopic Method[J];Chinese Chemical Letters;1997年04期

7 刘晓晖,姜革;Flemion865 MIRI与Nafion NX966膜使用情况[J];氯碱工业;1997年05期

8 ;Preparation of p-1,1,3,3-Tetramethylbutylphenol by Using Nafion-H Catalyst[J];Chinese Chemical Letters;2002年04期

9 于景荣,衣宝廉,刘富强,邢丹敏,张华民;再铸Nafion膜的制备与应用[J];膜科学与技术;2002年04期

10 徐洪峰,邢怡铭,邵志刚,王昕;Nafion115膜的溶解及其再铸膜性能测定[J];化学通报;2003年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 于景荣;衣宝廉;邢丹敏;刘富强;张华民;;再铸Nafion膜的制备与电池性能评价[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

2 ;The study of electro-osmotic drag of water within Nafion membrane in PEM fuel cells[A];2008 International Hydrogen Forum Programme and Abstract[C];2008年

3 余军;潘牧;袁润章;;质子交换膜燃料电池用Nafion/SiO_2复合膜结构性能研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年

4 杨金燕;胡智怡;方军;沈培康;;磺化聚砜／Nafion复合膜的制备和表征[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

5 朱红;王明;赵婷;杨武斌;魏永生;;Nafion/SPPESK/Nafion多层复合膜的制备与表征[A];中国化学会第26届学术年会新能源与能源化学分会场论文集[C];2008年

6 金朝庆;谢凯;洪晓斌;;Li-Nafion的分子模拟——论证Li-Nafion在锂离子电池中应用的可能性[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2011学术交流会论文集[C];2011年

7 王飞;康天放;鲁理平;张雁;刘桐坤;;基于金微粒和Nafion膜修饰玻碳电极的对硫磷传感器[A];第五届全国环境化学大会摘要集[C];2009年

8 ;Characteristics of catalyst coated membrane with ePTFE-Nafion composite membrane for proton exchange membrane fuel cell[A];2008 International Hydrogen Forum Programme and Abstract[C];2008年

9 ;Electrochemical Behavior of Nafion~汶/Nano-TiO_2 Hybrid Membranes Under Different Conditions[A];2005年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2005年

10 李涛;程琥;杨勇;;直接甲醇燃料电池用Nafion复合膜的阻醇性能研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

中国博士学位论文全文数据库 前8条

1 鲁飞;基于离子液体及其有序分子聚集体的质子传导膜微观结构调控[D];山东大学;2015年

2 王世铭;Nafion模板法单分散纳米粒子的合成、结构与性能研究[D];福州大学;2006年

3 潘曹峰;硅和Nafion纳米线的制备及其在纳米能源中的应用[D];清华大学;2010年

4 王强;固水界面的电化学性质及其对PEMFC的意义[D];武汉大学;2010年

5 王茹洁;自增湿超薄型及自组装型PEM的低湿性能优化[D];大连理工大学;2015年

6 李磊;直接甲醇燃料电池聚合物电解质的研究[D];天津大学;2003年

7 赵世雄;利用电场辅助制备结构取向的质子导电聚合物膜材料[D];天津大学;2013年

8 邓会宁;含有杂萘联苯的聚芳醚电解质膜研究[D];天津大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 田永梅;Nafion-有机复合膜制备与电化学性能研究[D];黑龙江大学;2006年

2 彭进才;PtCu/CeO_x/C/Nafion 电极制备及结构性能研究[D];昆明理工大学;2015年

3 赵翠影;新型固相微萃取涂层的研制及在环境分析中的应用[D];中国石油大学(华东);2014年

4 韩玉晶;Nafion界面电动浓集与PDMS芯片电泳联用方法研究[D];东北大学;2014年

5 郭敬轩;基于纳米金复合材料的血红蛋白传感器用于丙烯酰胺的检测研究[D];河南工业大学;2016年

6 王航;纳米纤维改性Nafion复合质子交换膜的制备与性能[D];天津工业大学;2016年

7 麦俊林;聚合物和离子液体复合体系的计算机模拟[D];华南理工大学;2016年

8 赵之婧;PtCu/CeO_x/C/Nafion膜电极制备及催化性能研究[D];昆明理工大学;2016年

9 张飞;DMFC用亚微米H-X沸石掺杂Nafion的选择性机理研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

10 崔传敏;全钒液流储能电池复合Nafion~(?)隔膜的制备与性能研究?[D];哈尔滨工业大学;2016年

，

本文编号：940913