【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分子模拟和电解水制氢，具体的涉及一种纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法。
技术介绍
1、在碳达峰碳中和的目标下，清洁氢能的生产和应用技术开始走上能源高效低碳应用的舞台。质子交换膜电解水技术和质子交换膜燃料电池技术被誉为最有前景的清洁能源技术，可以解决能源供需不均衡和环境污染问题；质子交换膜(pem)是其间不可或缺的一部分，承担着传导质子、隔绝电子和分离气体的作用。目前，商业化nafion含氟磺酸聚合膜具有高质子传导性、化学稳定性和出色的耐久性，常被用做质子交换膜。但其较高的成本、低湿度下性能急剧下降和含氟污染问题阻碍其实际应用，因此近些年来越来越多的非氟磺酸聚合膜(包括磺化聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚酮，磺化聚酰亚胺等)逐渐被研究者们制备并作为全氟磺酸聚合膜的替代品。
2、为扩大应用范围和提升使用性能，多种实验方法和策略被使用以提高pem的综合性能。其中在pem聚合物基底中掺杂无机吸水性填料的方法，因其能显著提高聚合膜的保水性能和质子传导性能而引起人们关注。尤其是添加可以有效限制气体扩散和促进质子迁移的纳米颗粒(np)材料，它们通常是颗粒直径在纳米数量级的多孔材料，具有较高比表面积、丰富的孔隙结构可调和官能团修饰多样性等特点。近年来，研究者们将np掺杂到pem聚合物中以制得相应的复合膜，发现np的添加能够增强其溶胀性能和质子传导性能。针对该溶胀现象和性能提升，研究者们提出了许多可能的解释和假想，但是尚未形成一致的认识。深入理解造成这种溶胀现象和性能提升的本质原因是设计制取性能优异的np@pem复合
3、综上所述，现有研究技术存在的问题：现有实验模拟无法通过目前的测试技术深入微观层面探索np@pem复合膜溶胀现象和性能提升机理，而分子模拟中还没有合适的模型来描述np微观结构与pem聚合物结构组成的复合膜，也亟待设计合适的分子模拟策略来实现np@pem复合膜在溶剂的溶胀过程。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，采用该建模和溶胀方法对np@pem复合膜进行构建和模拟，可以重现实验制取复合膜的溶胀现象，建立分析复合膜溶胀的微观机理。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
3、本专利技术的目的是提供一种纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，该方法包括以下步骤：
4、基于纳米颗粒的化学组成和结构，构建np微观结构模型；基于质子交换膜的单体结构式和聚合度，构建pem聚合物结构模型；
5、以np微观结构模型截断面的长度和宽度作为模拟盒子的长度和宽度，沿着模拟盒子的的高度方向，将pem聚合物结构模型、np微观结构模型和pem聚合物结构模型依次设置于模拟盒子内，pem聚合物结构模型、np微观结构模型和pem聚合物结构模型形成“夹心”结构，并在模拟盒子的两侧设有真空层，模拟盒子的长度均大于pem聚合物结构模型和np微观结构模型的长度，形成np@pem复合膜结构；
6、在真空层内加入溶剂至溶剂密度达到饱和，形成np@pem溶液结构模型，采用分子动力学方法将溶剂分子扩散进入np@pem复合膜结构，对np@pem溶液结构模型进行溶胀，通过真空层的溶剂密度变化程度获得np@pem复合膜模型的溶胀程度，进行平衡模拟得到np@pem溶胀性能。
7、进一步的，通过真空层的溶剂密度差值和设定的密度差值上限之间的误差范围，误差范围为0-10％，从而对比判断np@pem复合膜模型的溶胀程度；若计算得到的密度差值高于设定的密度差值上限，表明真空层中的溶剂分子不断进入np@pem复合膜，即复合膜溶胀未完全，则在真空层补充足量溶剂分子后并重复构建np@pem复合膜结构和模拟np@pem复合膜溶胀；真空层的溶剂密度差值的计算公式如下：
8、
9、式中：dd是密度差值；ρbulk，initial和ρbulk，final分别是真空层内溶剂执行退火流程前后的密度，单位为g/cm3。
10、进一步的，np@pem溶液结构模型进行溶胀过程中，采用分子动力学方法将溶剂分子自由扩散进入np@pem复合膜结构，然后基于退火模拟流程，使np@pem复合膜结构在nvt系综中进行结构弛豫，再根据np@pem复合模型溶胀程度来确定结束循环退火流程的时机，并通过提升温度来增加分子的移动速率，以达到加速分子在复合膜中的扩散，从而加速np@pem复合膜的溶胀过程，在nvt系综下进行系综的平衡模拟得到np@pem溶胀结构，统计系统中各物理量。各物理量包括分子数目、质量密度、均方位移等。
11、进一步的，基于np@pem复合膜结构中各组成在真空层的密度分布情况，根据np@pem溶胀结构分成不同的体相部分，通过统计各体相中的各物理量，计算各体相中溶剂分子在np@pem溶胀结构间的分布情况和动态特性，确定np@pem复合膜溶胀现象和性能，各体相包括溶剂相、pem相和np相。
12、进一步的，模拟盒子的两侧设有的真空层，真空层长度大于分子模拟中计算分子作用的截断半径。
13、进一步的，构建pem聚合物结构模型的具体方法，包括以下步骤：
14、根据pem的单体结构式和聚合度建立pem单链结构，再采用分子动力学方法将两条或两条以上的pem单链在长度和宽度方向上进行压缩，直至使压缩后的结构在长度和宽度平面的尺寸大小与np的微观结构的截断面相适配，构建形成pem聚合物结构模型。
15、进一步的，所述构建np微观结构模型的具体方法，包括以下步骤：
16、基于给定的np化学组成和结构，构建相应的纳米晶体结构，沿着晶体生长主导的晶面截断np的晶体结构，并使截断面的法线方向平行于模拟盒子高度方向，再将截断面的不饱和原子用相应原子或基团补足，构建形成np的微观结构模型。
17、进一步的，所述纳米颗粒包括但不限于mofs、cofs、沸石、多孔碳材料、金属颗粒、二维石墨烯、二维碳化硼中的一种。
18、进一步的，所述质子交换膜的种类包括但不限于全氟磺酸聚合物、非氟磺酸聚合物中的一种，全氟磺酸聚合物包括但不限于nafion或dow全氟磺酸聚合物，非氟磺酸聚合物包括但不限于磺化聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚酮或磺化聚酰亚胺中的一种。
19、进一步的，溶剂包括但不限于水、盐溶液或有机溶剂中的一种。
20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
21、本专利技术提供了一种纳米颗粒复合质子交换膜的建模和分子模拟方法，通过构建np@pem复合膜模型并结合提出的溶胀模拟策略，可以在分子尺度最大化还原np@pem复合膜结构中的溶胀物理过程，重现实验测试得到的溶胀现象并解释np@pem复合膜吸附溶剂溶胀的机理。本专利技术提供的技术方案，有利于理清np@pem复合膜在溶剂的吸附溶胀机理，进而为研究质子在np@pem复合膜传递机制和筛选性能优异的np@pem复合膜奠定理论基础和技术支持。
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1.一种纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，通过真空层的溶剂密度差值和设定的密度差值上限之间的误差范围，对比判断NP@PEM复合膜模型的溶胀程度，真空层的溶剂密度差值的计算公式如下：
3.根据权利要求2所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，NP@PEM溶液结构模型进行溶胀过程中，采用分子动力学方法将溶剂分子自由扩散进入NP@PEM复合膜结构，然后基于退火模拟流程，使NP@PEM复合膜结构在NVT系综中进行结构弛豫，再根据NP@PEM复合模型溶胀程度来确定结束循环退火流程的时机，在NVT系综下进行平衡模拟得到NP@PEM溶胀结构，获得系综中各物理量，各物理量包括分子数目、质量密度和均方位移。
4.根据权利要求3所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，基于NP@PEM复合膜结构中各组成在真空层的密度分布情况，根据NP@PEM溶胀结构分成不同的体相部分，通过统计各体相中的各物理量，计算
5.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，模拟盒子的两侧设有的真空层，真空层长度大于分子模拟中计算分子作用的截断半径。
6.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，构建PEM聚合物结构模型的具体方法，包括以下步骤：
7.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，所述构建NP微观结构模型的具体方法，包括以下步骤：
8.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，所述的纳米颗粒为MOFs、COFs、沸石、多孔碳材料、金属颗粒、二维石墨烯、二维碳化硼中的一种。
9.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，所述的质子交换膜的种类为全氟磺酸聚合物、非氟磺酸聚合物中的一种。
10.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，所述溶剂为水、盐溶液或有机溶剂中的一种。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，通过真空层的溶剂密度差值和设定的密度差值上限之间的误差范围，对比判断np@pem复合膜模型的溶胀程度，真空层的溶剂密度差值的计算公式如下：
3.根据权利要求2所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，np@pem溶液结构模型进行溶胀过程中，采用分子动力学方法将溶剂分子自由扩散进入np@pem复合膜结构，然后基于退火模拟流程，使np@pem复合膜结构在nvt系综中进行结构弛豫，再根据np@pem复合模型溶胀程度来确定结束循环退火流程的时机，在nvt系综下进行平衡模拟得到np@pem溶胀结构，获得系综中各物理量，各物理量包括分子数目、质量密度和均方位移。
4.根据权利要求3所述的纳米颗粒复合质子交换膜的建模及分子模拟方法，其特征在于，基于np@pem复合膜结构中各组成在真空层的密度分布情况，根据np@pem溶胀结构分成不同的体相部分，通过统计各体相中的各物理量，计算各体相中溶剂分子在np@pem溶胀结构间的...
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