شبیه سازی دینامیک مولکولی غشای تبادل پروتون بر پایه پلی سولفون در سیستم پیل سوختی

غشاهای تبادل پروتون به عنوان قلب تپنده پیل های سوختی با غشای تبادل پروتون ، نقشی کلیدی در تبدیل انرژی پاک ایفا می کنند. این پژوهش با بهره گیری از شبیه سازی دینامیک مولکولی در نرم افزار متریالز استودیو و میدان نیروی کامپس ۲، به بررسی خواص ساختاری، انتقالی و مکانیکی غشای پلی سولفون سولفونه شده تحت تاثیر سه پارامتر کلیدی پرداخته است: درجه سولفوناسیون ، درجه هیدراتاسیون و دمای عملیاتی. نتایج نشان داد که درجه سولفوناسیون ۵۰% بهینه ترین تعادل را بین هدایت پروتون )با ضریب نفوذ Ų/ps ۰٫۰۰۳۳۵۰ (و پایداری مکانیکی (حداکثر مدول های یانگ و حجمی) فراهم می کند، در حالی که درجه سولفوناسیون بالاتر (۷۰%) به دلیل تورم بیش از حد، مقاومت مکانیکی را کاهش می دهد. در شرایط هیدراتاسیون، درجه هیدراته ۱۲ بهترین عملکرد انتقالی را با تشکیل شبکه های پیوسته کانال های آبی و مکانیسم گرتوس نشان داد، در مقابل درجه هیدراته ۱۵ به دلیل رقیق سازی ساختاری، ضریب نفوذ را کاهش داد. برخلاف انتظار، افزایش دما از ۷۰ به ۱۰۰ درجه سانتی گراد به دلیل هیدراتاسیون نسبی، تحرک پروتون را کاهش داد )افت ضریب نفوذ از ۰٫۰۰۳۳۵۰ به Ų/ps ۰٫۰۰۰۶۸۸)تحلیل های تابع توزیع شعاعی، میانگین مربع جابجایی، دمای انتقال شیشه ای و خواص مکانیکی، همخوانی بالایی با داده های تجربی داشتند و بر دقت شبیه سازی دینامیک مولکولی تاکید کردند. این مطالعه نه تنها مقادیر بهینه پارامترها را برای طراحی غشاهای کارآمد مشخص کرد، بلکه با شناسایی محدودیت های عملیاتی، راهکارهایی برای بهبود پایداری و عملکرد غشاهای پلی سولفون در پیل های سوختی ارائه داد.

کلیدواژه ها:

شبیه سازی دینامیک مولکولی ، پیل سوختی ، غشای تبادل پروتون ، پلی سولفون سولفونه شده ، هدایت پروتون