本發(fā)明屬于材料測(cè)量方法，具體涉及一種介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜燃料電池，因高能量轉(zhuǎn)換效率、高功率密度和零污染等特點(diǎn)而被廣泛關(guān)注，但高昂的成本嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。陰極催化劑層是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要組成部分，陰極催化劑層包括碳載體、離聚物和鉑納米顆粒，鉑納米顆粒為催化劑，碳載體用于負(fù)載鉑納米顆粒，離聚物覆蓋在鉑納米顆粒上。其中，鉑納米顆粒的成本占了質(zhì)子交換膜燃料電池總成本的一半。但當(dāng)降低鉑納米顆粒載量時(shí)，由于鉑納米顆粒對(duì)離聚物中磺酸根的強(qiáng)烈吸附，造成了較高的局部氧氣傳輸阻力，降低了電池的電流輸出。

2、以介孔碳作為載體負(fù)載催化劑的方法被認(rèn)為是降低傳質(zhì)阻力的有效方法，介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑的示意圖如圖2所示，介孔碳載體1中含有孔隙，孔隙內(nèi)形成有水膜3，一部分鉑納米顆粒負(fù)載于孔隙內(nèi)部，形成內(nèi)部鉑納米顆粒4，離聚物由于尺寸的限制無(wú)法滲透到介孔碳載體1內(nèi)部的孔隙中，形成孔隙外離聚物2，內(nèi)部鉑納米顆粒4避免了與磺酸根吸附“中毒”而獲得了較高的活性。然而，盡管已有實(shí)驗(yàn)證明介孔碳載體1中的孔隙可以降低傳質(zhì)阻力，但對(duì)于單個(gè)孔隙來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的傳質(zhì)阻力具體數(shù)值尚無(wú)法測(cè)量，不利于降低鉑納米顆粒載量和促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，通過(guò)本發(fā)明方法可以獲得單個(gè)孔隙內(nèi)的傳質(zhì)阻力值，為降低鉑納米顆粒載量和促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化提供理論指導(dǎo)。

2、本發(fā)明具體通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

3、本發(fā)明對(duì)單個(gè)孔隙的傳質(zhì)阻力進(jìn)行了以下分析：

4、對(duì)于介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部單個(gè)孔隙的傳質(zhì)阻力按照以下幾種類型進(jìn)行劃分：

5、（1）孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒的局部傳輸阻力，其由兩部分阻力組成：氧氣從孔隙入口在水膜內(nèi)擴(kuò)散到單個(gè)鉑納米顆粒表面所產(chǎn)生的擴(kuò)散阻力，以及孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力。

6、（2）氧氣在單個(gè)孔隙內(nèi)的總阻力，其由兩部分組成：氧氣在單個(gè)孔隙內(nèi)擴(kuò)散的總擴(kuò)散阻力，以及由于單個(gè)孔隙內(nèi)所有鉑納米顆粒的吸附阻力而造成的總阻力。

7、基于上述分析，本發(fā)明提供能夠測(cè)量上述各類阻力的方法，通過(guò)本發(fā)明方法，可以定量確定上述各類阻力的值。

8、具體的，本發(fā)明提供的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑的傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，包括以下步驟：

9、步驟1、構(gòu)建水膜覆蓋鉑納米顆粒的微觀模型，基于分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力。

10、步驟2、通過(guò)介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣擴(kuò)散方程，得到介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣濃度變化方程及介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣傳質(zhì)通量變化方程。

11、步驟3、通過(guò)介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣濃度變化方程及介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣傳質(zhì)通量變化方程，獲得氧氣從孔隙入口在水膜內(nèi)擴(kuò)散到單個(gè)鉑納米顆粒表面所產(chǎn)生的擴(kuò)散阻力、氧氣在單個(gè)孔隙內(nèi)擴(kuò)散的總擴(kuò)散阻力和由于單個(gè)孔隙內(nèi)所有鉑納米顆粒的吸附阻力而造成的總阻力。

12、步驟4、通過(guò)孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力和氧氣從孔隙入口在水膜內(nèi)擴(kuò)散到單個(gè)鉑納米顆粒表面所產(chǎn)生的擴(kuò)散阻力，得到孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒的局部傳輸阻力；通過(guò)由于單個(gè)孔隙內(nèi)所有鉑納米顆粒的吸附阻力而造成的總阻力和氧氣在單個(gè)孔隙內(nèi)擴(kuò)散的總擴(kuò)散阻力，獲得氧氣在單個(gè)孔隙內(nèi)的總阻力。

13、優(yōu)選的，所述水膜覆蓋鉑納米顆粒的微觀模型從上到下包括：氧氣分子組成的氧氣層、水分子組成的水膜層、鉑分子組成的鉑納米顆粒和碳分子組成的石墨碳層，其中水膜層將鉑納米顆粒完全覆蓋，氧氣穿過(guò)水膜層到達(dá)鉑納米顆粒表面。石墨碳層的層數(shù)為5層。石墨碳層中的孔隙被冷凝液態(tài)水覆蓋。將石墨碳層中的孔隙視為橫截面相等的直孔。忽略氧氣在水膜層溶解過(guò)程中產(chǎn)生的非平衡溶解阻力。

14、對(duì)上述微觀模型進(jìn)行以下處理：采用用于原子模擬研究的凝聚相優(yōu)化分子勢(shì)力場(chǎng)計(jì)算微觀模型中所有分子的勢(shì)能；采用韋爾萊算法求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程，時(shí)間步長(zhǎng)為1fs；采用粒子-粒子-粒子-網(wǎng)格方法計(jì)算長(zhǎng)程靜電相互作用，精度為10-4kcal·mol-1；體系溫度采用諾斯-胡佛恒溫器控制，溫度控制在353k，弛豫時(shí)間為0.1ps。每個(gè)微觀模型在正則系綜中經(jīng)過(guò)5ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬，在模擬完成之后，計(jì)算氧氣在鉑納米顆粒表面的傳質(zhì)通量，利用氧氣在鉑納米顆粒表面的傳質(zhì)通量獲得孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力。

15、優(yōu)選的，通過(guò)界面濃度差除以氧氣在鉑納米顆粒表面的傳質(zhì)通量，獲得孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力。

16、優(yōu)選的，通過(guò)氧氣在水膜層內(nèi)擴(kuò)散路徑的濃度差除以氧氣在鉑納米顆粒表面的傳質(zhì)通量，獲得單個(gè)鉑納米顆粒的擴(kuò)散阻力。

17、優(yōu)選的，介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣擴(kuò)散方程為：

18、；

19、；

20、式中，y為孔隙內(nèi)不同位置和孔隙底部之間的距離，為氧氣在孔隙內(nèi)不同位置的傳質(zhì)通量，為孔隙內(nèi)不同位置的電流密度， f為法拉第常數(shù)，為氧氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)，為氧氣在孔隙內(nèi)不同位置的濃度。

21、介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣濃度變化方程為：

22、；

23、；

24、式中，為氧氣在孔隙內(nèi)不同位置的濃度，為氣體和水界面水膜層側(cè)的氧氣濃度，為孔深，y為孔隙內(nèi)不同位置和孔隙底部之間的距離，為氧氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)，為孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力，為孔隙內(nèi)粗糙因子。

25、介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣傳質(zhì)通量變化方程為：

26、；

27、式中，為氧氣在孔隙內(nèi)不同位置的傳質(zhì)通量。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

29、本發(fā)明對(duì)介孔碳載體中單個(gè)孔隙的傳質(zhì)阻力進(jìn)行了分析，明確了單個(gè)孔隙的傳質(zhì)阻力種類以及相互關(guān)系，通過(guò)構(gòu)建水膜覆蓋鉑納米顆粒的微觀模型，并結(jié)合氧氣在孔隙內(nèi)的濃度、傳質(zhì)通量變化規(guī)律，獲得了單個(gè)孔隙內(nèi)的傳質(zhì)阻力值。本發(fā)明克服了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的研究尺度限制，提供了一種傳質(zhì)阻力可靠的計(jì)算和分析方法，有利于降低鉑納米顆粒載量和促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化。

30、本發(fā)明測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為進(jìn)一步優(yōu)化介孔碳催化劑的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，有利于催化劑在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出最佳性能。

技術(shù)特征：

1.一種介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，所述水膜覆蓋鉑納米顆粒的微觀模型從上到下包括：氧氣分子組成的氧氣層、水分子組成的水膜層、鉑分子組成的鉑納米顆粒和碳分子組成的石墨碳層，其中水膜層將鉑納米顆粒完全覆蓋，氧氣穿過(guò)水膜層到達(dá)鉑納米顆粒表面。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，采用用于原子模擬研究的凝聚相優(yōu)化分子勢(shì)力場(chǎng)計(jì)算微觀模型中所有分子的勢(shì)能，采用韋爾萊算法求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程，采用粒子-粒子-粒子-網(wǎng)格方法計(jì)算長(zhǎng)程靜電相互作用，體系溫度采用諾斯-胡佛恒溫器控制，每個(gè)微觀模型在正則系綜中進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，在模擬完成之后，計(jì)算氧氣在鉑納米顆粒表面的傳質(zhì)通量，利用氧氣在鉑納米顆粒表面的傳質(zhì)通量獲得孔隙內(nèi)單個(gè)鉑納米顆粒表面的吸附阻力。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，石墨碳層中的孔隙被冷凝液態(tài)水覆蓋。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，忽略氧氣在水膜層溶解過(guò)程中產(chǎn)生的非平衡溶解阻力。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，將石墨碳層中的孔隙視為橫截面相等的直孔。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣擴(kuò)散方程為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣濃度變化方程為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，其特征在于，介孔碳內(nèi)部孔隙的氧氣傳質(zhì)通量變化方程為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于材料測(cè)量方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力的測(cè)量方法，首先對(duì)單個(gè)孔隙的傳質(zhì)阻力進(jìn)行分析，明確了單個(gè)孔隙的傳質(zhì)阻力種類以及相互關(guān)系，通過(guò)構(gòu)建水膜覆蓋鉑納米顆粒的微觀模型，并結(jié)合氧氣在孔隙內(nèi)的濃度、傳質(zhì)通量變化規(guī)律，獲得了介孔碳內(nèi)部孔隙催化劑傳質(zhì)阻力值。本發(fā)明方法能夠獲得單個(gè)孔隙內(nèi)的傳質(zhì)阻力值，為降低鉑納米顆粒載量和促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化提供理論指導(dǎo)。

技術(shù)研發(fā)人員：方文振,安凱博,趙國(guó)睿,陶文銓
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6