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  質(zhì)子交換膜是決定燃料電池能量/功率密度、循環(huán)壽命等性能的核心部件，也是當(dāng)前燃料電池汽車(chē)亟需進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵材料。商業(yè)化應(yīng)用仍以全氟磺酸及其復(fù)合膜為主，材料研究近幾年的前沿則以磺酸基非氟碳?xì)渚酆衔镔|(zhì)子交換膜為主。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所高分子材料結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)課題組圍繞質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)解析、組成工藝和性能數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展了大數(shù)據(jù)研究，聚焦質(zhì)子交換膜的組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供理論參考和工具支持。

  在結(jié)構(gòu)研究方面，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬（J. Phys. Chem. B2017, 121:9718）與小角X射線散射結(jié)合，明晰了全氟磺酸離子聚合物無(wú)序相分離的五個(gè)微觀結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)特征結(jié)構(gòu)尺寸在離聚物分散液和溶脹膜中的標(biāo)度關(guān)系，以及不同極性的溶劑在強(qiáng)相分離微結(jié)構(gòu)中的配分規(guī)律(應(yīng)用化學(xué)2019, 36, 1406；Polymer2020, 213, 123224）。這些研究為認(rèn)識(shí)和理解磺酸基聚合物質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)與傳導(dǎo)率關(guān)系、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機(jī)制、全氟磺酸離子聚合物膜的回收和重鑄提供了重要參考(圖1)。

圖 1. Nafion溶脹膜的SAXS結(jié)構(gòu)解析（左a-a’’）,微觀結(jié)構(gòu)分子動(dòng)力學(xué)模擬特征尺寸標(biāo)識(shí)、磺酸跟離子聚集尺寸的標(biāo)度關(guān)系以及微觀結(jié)構(gòu)尺寸與膜的溶脹、機(jī)械性能的關(guān)聯(lián)矩陣(右a-c)。

  在大數(shù)據(jù)研究方面，首先系統(tǒng)地闡明了全氟磺酸膜的傳導(dǎo)率分布范圍、傳導(dǎo)率與溫度和濕度的Arrhenius依賴(lài)關(guān)系（J. Membr. Sci.2016, 504, 1），進(jìn)而剖析了全氟磺酸復(fù)合膜的填料和制膜工藝對(duì)傳導(dǎo)率的影響規(guī)律（J. Membr. Sci. 2018, 549, 393）。聚焦磺酸基非氟碳?xì)渚酆衔镔|(zhì)子交換膜，通過(guò)詳盡的數(shù)據(jù)挖掘，基于可靠的性能預(yù)測(cè)模型，高通量篩選了26萬(wàn)余種兩組分共聚物，從中找到了2800余種候選共聚物，其具有優(yōu)于當(dāng)前商業(yè)燃料電池汽車(chē)用高分子Nafion 117的綜合性能，將為新的高性能質(zhì)子交換膜材料設(shè)計(jì)和制備提供切實(shí)指導(dǎo)（J. Mater. Chem. A2019, 7, 11847）。

  近期，通過(guò)對(duì)燃料電池用質(zhì)子交換膜材料的數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建了含全氟、碳?xì)浠撬峄|(zhì)子交換膜膜電極極化曲線的詳盡數(shù)據(jù)集，一方面基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅模擬對(duì)已知極化曲線進(jìn)行了定量解析，提取了重要的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括熱力學(xué)電壓、燃料滲透引起的電壓損失、活化損失、歐姆損失、傳質(zhì)引起的濃差極化等；另一方面使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)整個(gè)極化曲線和相應(yīng)的峰值功率密度構(gòu)建了穩(wěn)健的預(yù)測(cè)模型，這些模型在盲測(cè)中也表現(xiàn)出良好的魯棒性。據(jù)此他們將算法模型集成到軟件中，該軟件可從已知極化曲線解析出重要參數(shù)，并為篩選共聚物的廣泛化學(xué)和拓?fù)淇臻g以及膜電極組件設(shè)計(jì)提供實(shí)用幫助。該工作近期以標(biāo)題Explore the polarization curve for proton exchange membrane fuel cells發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces，相關(guān)軟件已獲得軟件著作權(quán)polySML-iV（軟件著作權(quán)號(hào)：2021SR1865553，圖2）。論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所特別研究助理劉倫洋博士，通訊作者為李云琦研究員。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（21774128，U1832177，22173094，51988102）和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-SLH027）支持。

圖 2. 質(zhì)子交換膜燃料電池極化曲線（A）和峰值功率密度(B)的分布、預(yù)測(cè)和軟件實(shí)現(xiàn)。右上為已知電池極化曲線對(duì)電池過(guò)程中重要熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)解析，右下為已知膜構(gòu)成制備和測(cè)試條件，膜電極極化曲線的定量預(yù)測(cè)。

  論文鏈接：Liu, L.; Liu, T.; Ding, F.; Zhang, H.; Zheng, J.; Li, Y., Explore the polarization curve for proton exchange membrane fuel cells.ACS Appl Mater Interfaces 2021, 13 (49), 58838.

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c20289