項目類別：人才計劃
參與人員：李云琦
起止日期：2014.1-2017.12
開展多尺度、多學科交叉方法研究化學電源高分子膜材料的組成、結構和性能關系。探索離子在不同高分子復合膜中的傳導機制，闡述調控優化化學電源性能的可實施技術路線，為推進低成本、高性能、環境友好的、可持續性發展能源的開發提供理論基礎和技術指導。
圍繞化學電源高分子膜材料，本人將致力于以下兩方面的研究。其一是與低碳化學電源實驗室的課題組合作，參與低成本、高性能的質子交換膜燃料電池的研究與開發。可產業化的質子交換膜具有以下特點：高質子傳導性、離子交換容量、化學/熱穩定性、拉伸抗張強度；適度的機械加工性能、含水率、水合溶脹率；以及低電導性、燃料滲漏性、電滲作用以及成本等。目前低碳化學電源實驗室在直接甲醇燃料電池(DMFC)的研究已取得階段性成果，接近于產業化開發。但仍有若干基礎問題未能明確解釋，深入研究這些問題將有助于電池性能的進一步優化。典型的基礎問題如質子在高分子膜中的輸運機制、摻雜粒子對甲醇滲漏的屏蔽機理、高分子膜與催化層結合后活性位點分布及活性影響以及如何使高分子膜與膜電極復合體（MEA）性能同步提升等亟需明確。為此，本課題組將在提升電池膜性能的一般規律的基礎上，結合理論、計算機模擬和一些實驗手段如小角X光散射（SAXS）、X光吸收精細結構(XAFS)等對高分子膜本體、催化中心等進行深入研究，進而闡明由高分子膜貢獻電池性能提升的內在因素。在高分子膜本體中，通過計算機模擬和SAXS，根據高分子膜網絡的關聯長度、離子逾滲通道和甲醇逾滲通道在一定溫度、濕度下與H2n+1On+、甲醇分子的平均自由程之間的關系、考察在特征高分子網絡中的質子輸運機理問題。此外，通過計算機模擬與XAFS結合，可以明確催化中心的化學環境，從而明晰提高貴重的鉑系催化劑利用率、活性的方法。這一部分將深入發揮本人多年在小角散射研究高分子復雜體系以及多尺度計算機模擬的研究經歷，從新的角度認識化學電源高分子膜材料，理論與實踐相結合建立開發低成本高效能電池的技術路線。
其二是結合理論、分子模擬與生物信息學方法，對已報道的近萬篇文獻進行數據挖掘，收集與化學電源高分子膜組成、結構及電池性能相關的數據，建立具有代表性和完備性的數據庫。該數據庫將盡可能地收集包含高分子的特性參數（如分子量、嵌段聚合物組成、主鏈結構、側鏈結構、鏈剛性、親水性/疏水性、帶電集團屬性、電荷密度等）、摻雜粒子特性（如有機/無機粒子、水親和性、粒徑分布、表面帶電性質、電導率、與高分子膜/催化層的相容性等）、膜結構參數（包括厚度、水接觸角、楊氏模量、屈服模量、微納米孔徑分布、溶脹率、吸水性和玻璃化轉變溫度等）、環境條件（如溫度、濕度、壓力等）等因素，以及膜性能的主要指標（如離子傳導率、離子交換容量、電導率或燃料滲漏率）。由于這些因素的類型分散性和數值不歸一化性，很難給出顯式的表達公式，非常有必要采用生物信息學方法如支持向量機器學習方法(SVM)、神經網絡算法(NN)、基因遺傳算法(GA)和隨機森林算法(RF)等對數據庫中的數據進行深層次、大規模回歸或聚類分析。以提高膜性能參數為目標，找出可靠的、具有一定普適性的、定量或半定量的關聯關系。進一步設計相應的物理模型，開展計算機模擬驗證或修正、闡述這些關聯性背后的物理機制，為長遠的化學電源膜材料開發建立系統的理論模型。這一方面的研究將充分結合本人在高分子物理、大分子化學、生物信息學和對復雜體系復合物的研究經歷，利用物理、化學和材料科學的一些基礎理論，綜合已報道的一系列就離子傳導、高分子材料潤濕、相分離、分子-離子間相互作用等的物理模型，全面闡述化學電源高分子膜材料的特殊性、形成機制及可能的調控方法。