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申请/专利权人：天津大学

摘要：本发明公开了一种基于电解水传输过程中催化层结构特征的仿真技术方法，包括催化剂层模型的构建，电解质薄膜覆盖催化剂模型的构建、水分子传输过程模型的构建、以及物质分布和传输数据获取与分析。仿真计算模型采用LAMMPS软件平台执行所有分子动力学模拟，所构建的模型均为微观物理模型。以详细揭示电解池催化层中水分子传输过程中的局部传质过程和水分子通道形成的过程。本发明方法不仅能够有效指导实验过程，显著降低实验的盲目性和不确定性，而且依据仿真结果对实验设计进行精细的调整，有助于大幅度节省研发过程中的成本和时间。应用范围并不局限于电解池催化层所使用的催化剂等，同样适用于其他类型的催化剂、电解质等催化层优化设计。

主权项：1.基于电解水传输过程中催化层结构特征的仿真技术方法，其特征在于：催化剂层模型的构建、电解质薄膜覆盖催化剂模型的构建、水分子传输过程模型的构建、以及物质分布和传输数据获取与分析四个部分，仿真计算模型采用LAMMPS软件平台执行所有分子动力学模拟，所构建的模型均为微观物理模型，共包括三部分，具体建模步骤如下：1催化剂层模型的构建通过催化剂晶胞参数，原子大小，原子质量等信息，采用分子动力学模拟技术在长、宽均为8nm，高为1nm的模拟框体内，构建长、宽均为8nm，高度为6层催化剂原子高度的催化剂层模型；2电解质薄膜覆盖催化剂模型的构建首先构建插入电解质后催化层初步模型，然后进行平衡化处理，最后得到电解质薄膜覆盖催化剂平衡微观结构模型，采用全氟磺酸聚合物作为电解质材料，电解质薄膜覆盖催化剂模型中的电解质组分包括：全氟磺酸聚合物分子、水合氢离子以及水分子；2.1催化层中的电解质包括全氟磺酸聚合物分子链、水分子、水合氢离子，因此首先需要对全氟磺酸聚合物分子链、水分子、水合氢离子进行建模，采用商用杜邦质子交换膜产品材料被用作全氟磺酸聚合物分子模型，经典的F3C水分子模型，经典的水合氢离子模型，利用MOLTEMPLATE软件平台建立各电解质分子模型，2.2在催化剂层模型基础上，在催化层上方插入全氟磺酸聚合物分子链、水分子和水合氢离子各电解质分子，来构建插入电解质后催化层初步模型，全氟磺酸聚合物分子链、水分子和水合氢离子各电解质分子的数量要求符合计算分析过程的实际情况，2.3进行平衡化处理，得到电解质薄膜覆盖催化剂平衡微观结构模型，平衡化处理过程是，先进行一次能量最小化处理，再压缩过程，然后再进行一次能量最小化处理，接着消除初始偏差处理，高低温处理以及驰豫过程，最后得到平衡结构，2.4能量最小化过程是在1000开尔文的恒温、恒容环境下进行。压缩过程是在微观物理模型顶部设置与各电解质组分相互作用的伦纳德-琼斯势墙，以实现对催化层的精确压缩调控，高低温处理是在353.15开尔文与1000开尔文之间进行来回至少四次循环的驰豫变化过程，结束温度为353.15开尔文；3水分子传输过程模型的构建在步骤2建立的电解质薄膜覆盖催化剂平衡微观结构模型顶部区域，放入一层至少3nm高的水分子层，并在所有水分子上方设置只作用于水分子的伦纳德-琼斯相互作用势墙，使水分子能够渗透进入催化层来实现研究水分子渗透传输过程，3.1在满足模拟框体大小的3nm高的空间内，插入符合水密度的水分子数量，再进行平衡化处理后得到水分子层，将该水分子层放入上述建立的电解质薄膜覆盖催化剂平衡微观结构模型顶部区域，3.2对电解质薄膜覆盖催化剂平衡微观结构模型，进行能量最小化、压缩、驰豫过程的分子动力学模拟，以保证整个模型结构趋于平衡状态，3.3在后续所有分子动力学模拟过程中，催化剂原子间的相互作用采用静态约束条件，排除在内部力场计算之外，使催化剂的相对位置在模拟过程中保持不变，以更准确地模拟其它动态过程，3.4能量最小化过程是在1000开尔文的恒温、恒容环境下进行，压缩过程是在模型顶部设置与各电解质组分相互作用的伦纳德-琼斯势墙，以实现对催化层的精确压缩调控，3.5压缩过程中随着顶部势墙沿电解质膜厚度方向的逐步下移，电解质组分以及附加的水分子的密度，逐渐被调整至与常态下实体电解质膜和水所具有的密度相匹配的程度，其后，模型顶部的势墙被固定在压缩后的位置，并再次进行能量最小化过程，3.6在弛豫过程中，模型中除催化剂以外的所有组分在1000开尔文的恒温、恒容环境下进行至少1纳秒的分子动力学模拟，其中电解质组分中的全氟磺酸聚合物分子内部的原子间的伦纳德-琼斯相互作用强度会减少两个数量级，以消除可能存在的初始误差，3.7随后，调整全氟磺酸聚合物分子链的内部原子间的伦纳德-琼斯相互作用强度为初始状态，在恒温、恒容环境下进行至少0.5纳秒的分子动力学模拟，逐步使系统回归至353.15开尔文的常温状态，确保整个模拟在充分弛豫后保持稳定，3.8最后，再执行了至少5纳秒的恒温、恒容模拟，使模型达到最终平衡状态，此时模型的能量和沿电解质厚度方向的密度分布不再发生变化；4物质分布和传输数据获取与分析电解质薄膜中全氟磺酸聚合物分子链、水合氢离子和水分子的密度分布数据将在确保水分子在催化层薄膜中稳定传输的情况下，使用分子动力学模拟获取，对水分子传输过程模型进行径向分布函数和二维密度云图分析，从而进行数据分析。

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百度查询： 天津大学 基于电解水传输过程中催化层结构特征的仿真技术方法