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  質子交換膜是決定燃料電池能量/功率密度、循環壽命等性能的核心部件，也是當前燃料電池汽車亟需進一步發展的關鍵材料。商業化應用仍以全氟磺酸及其復合膜為主，材料研究近幾年的前沿則以磺酸基非氟碳氫聚合物質子交換膜為主。中國科學院長春應用化學研究所高分子材料結構與大數據課題組圍繞質子交換膜的結構解析、組成工藝和性能數據庫開展了大數據研究，聚焦質子交換膜的組成-工藝-結構-性能關系，為基礎研究和應用開發提供理論參考和工具支持。

  在結構研究方面，通過計算機模擬（J. Phys. Chem. B2017, 121:9718）與小角X射線散射結合，明晰了全氟磺酸離子聚合物無序相分離的五個微觀結構特征，進而發現特征結構尺寸在離聚物分散液和溶脹膜中的標度關系，以及不同極性的溶劑在強相分離微結構中的配分規律(應用化學2019, 36, 1406；Polymer2020, 213, 123224）。這些研究為認識和理解磺酸基聚合物質子交換膜的結構與傳導率關系、結構穩定機制、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結構解析（左a-a’’）,微觀結構分子動力學模擬特征尺寸標識、磺酸跟離子聚集尺寸的標度關系以及微觀結構尺寸與膜的溶脹、機械性能的關聯矩陣(右a-c)。

  在大數據研究方面，首先系統地闡明了全氟磺酸膜的傳導率分布范圍、傳導率與溫度和濕度的Arrhenius依賴關系（J. Membr. Sci.2016, 504, 1），進而剖析了全氟磺酸復合膜的填料和制膜工藝對傳導率的影響規律（J. Membr. Sci. 2018, 549, 393）。聚焦磺酸基非氟碳氫聚合物質子交換膜，通過詳盡的數據挖掘，基于可靠的性能預測模型，高通量篩選了26萬余種兩組分共聚物，從中找到了2800余種候選共聚物，其具有優于當前商業燃料電池汽車用高分子Nafion 117的綜合性能，將為新的高性能質子交換膜材料設計和制備提供切實指導（J. Mater. Chem. A2019, 7, 11847）。

  近期，通過對燃料電池用質子交換膜材料的數據挖掘，構建了含全氟、碳氫磺酸基質子交換膜膜電極極化曲線的詳盡數據集，一方面基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅模擬對已知極化曲線進行了定量解析，提取了重要的熱力學和動力學參數，包括熱力學電壓、燃料滲透引起的電壓損失、活化損失、歐姆損失、傳質引起的濃差極化等；另一方面使用機器學習對整個極化曲線和相應的峰值功率密度構建了穩健的預測模型，這些模型在盲測中也表現出良好的魯棒性。據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，并為篩選共聚物的廣泛化學和拓撲空間以及膜電極組件設計提供實用幫助。該工作近期以標題Explore the polarization curve for proton exchange membrane fuel cells發表在ACS Appl. Mater. Interfaces，相關軟件已獲得軟件著作權polySML-iV（軟件著作權號：2021SR1865553，圖2）。論文的第一作者為中國科學院長春應用化學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。該工作得到國家自然科學基金（21774128，U1832177，22173094，51988102）和中國科學院前沿科學重點研究項目（QYZDY-SSW-SLH027）支持。

圖 2. 質子交換膜燃料電池極化曲線（A）和峰值功率密度(B)的分布、預測和軟件實現。右上為已知電池極化曲線對電池過程中重要熱力學和動力學參數解析，右下為已知膜構成制備和測試條件，膜電極極化曲線的定量預測。

  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