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長春應化所質子交換膜的結構和大數據課題研究獲突破

長春應化所質子交換膜的結構和大數據課題研究獲突破
《高分子科技》微信公眾號 / 時間:2019-04-26 08:54:59

  據高分子科技微信公眾平臺2019年4月25日訊 質子交換膜是決定燃料電池能量/功率密度、循環壽命等的核心部件,也是當前燃料電池汽車亟需進一步發展的關鍵材料。目前商業化應用以及研究的參照主要是杜邦公司生產的Nafion全氟磺酸膜。雖然Nafion膜具有非常鮮明的優缺點,開發Nafion復合膜和新的非氟聚合物質子交換膜是高分子材料研發的前沿。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、組成工藝性能數據庫和機器學習預測模型構建,明晰了Nafion和非氟聚合物質子交換膜的結構特征,基于定量的組成-工藝-結構-性能關系,給出了開發高性能質子交換膜的可檢驗性指導。


長春應化所質子交換膜的結構和大數據課題研究獲突破


  首先,通過對Nafion具有特氟龍主鏈和磺酸根側基的高分子進行了量子化學計算-分子力場和非球對稱粗?;P偷木_構建,結合GPU加速的分子動力學模擬,構建了Nafion膜的穩定結構,通過類似電鏡投影和小角散射曲線計算,得到了與實驗一致的結果,在模擬上首次全面再現了Nafion這種無序相分離結構的五個特征(Assembled Structures of Perfluorosulfonic Acid Ionomers Investigated by Anisotropic Modeling and Simulations. J. Phys. Chem. B 2017, 121:9718)。
  其次,通過對300余篇關于Nafion質子交換膜的原始研究論文開展了數據挖掘和機器學習研究,厘清了質子傳導率和水在膜中的分布,并擬合出了熱力學理論參數。進一步在復合材料對性能的可靠預測模型基礎上,分析并明確了具有商業應用價值的復合填充材料選擇,和匹配的優化制膜工藝方案(An Overview of the Proton Conductivity of Nafion Membranes through a Statistical Analysis. J. Membr. Sci. 2016, 504, 1; A Statistical Study of Proton Conduction in Nafion-Based Composite Membranes: Prediction, Filler Selection and Fabrication Methods. J. Membr. Sci. 2018, 549, 393)。
  近期,通過對2800多篇文獻的數據挖掘,梳理出含有166種親水嵌段和175種疏水嵌段的高分子,基于可靠的性能預測模型,高通量篩選了26萬余種兩嵌段高分子,從中找到了2800余種具有優于當前商業燃料電池汽車所用高分子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(Rational design of hydrocarbon-based sulfonated copolymers for proton exchange membranes. J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA00688E)。
  這些高分子材料大數據的研究還僅僅是個開始,在數萬億的商業背景下,高分子材料是實現綠色環保、個性化和智能化的關鍵。在達到目標性能要求的基礎上,如何實現材料和制備工藝最優化,預測和指導極端使用條件下高分子材料的極限性能實現,包含數據挖掘和機器學習的高分子材料大數據研究,大有可為。同時也應看到,雖然材料領域的大數據研究近年來取得了一系列令人矚目的報道,但在高分子材料方面的成果卻屈指可數。(材料基因組學的發展現狀、研究思路與建議 中國科學:化學 2018, 48, 243-255)。研究思路、核心技術、預測模型驗證方案和可解釋性,特別是清晰的材料多層次結構信息,非常稀缺難得。我們該系列研究初步探索出了高分子材料大數據的可行研究思路,期望能夠促進數據驅動創新這一研究范式在高分子材料的基礎和前沿研發的有效融合。
  中科院長春應化所高分子材料結構與大數據課題組PI為李云琦研究員,曾獲中國科學院百人計劃A類支持(結題優秀)。李云琦研究員曾在南京大學化學系、高分子化學與物理國家重點實驗室師從安立佳院士學習,之后在堪薩斯大學結構生物學中心、應用生物信息學實驗室以及羅格斯大學食品系學習工作,其多學科的背景為高分子材料的大數據研究奠定了堅實基礎。課題組成員陳文多副研究員和博士研究生劉倫洋主導開展了這一系列工作。
  該系列工作得到國家重點基礎研究發展計劃(2015CB655302),國家自然科學基金(21374117,21404105,21774128)以及中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDY-SSW-SLH027)支持。


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