电场调控下Nafion膜中H+ /Cu+ /Cu2+ 离子迁移的分子动力学模拟及其在Cu-Cl电解制氢中的应用

本研究针对Cu-Cl电解制氢体系中Nafion质子交换膜的离子传输机制，通过分子动力学(MD)模拟揭示了电场强度与膜水合水平对H+ 和Cu离子迁移的差异化影响。研究发现电场通过促进水分子有序排列使H+ 传输由扩散主导转为漂移主导，而Cu2+ 因溶剂化壳形成破坏氢键网络显著降低电导率。该成果为优化电解槽离子膜设计提供了理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳燃料备受关注。然而当前约95%的氢产自化石燃料，伴随大量CO₂
排放。电解水制氢虽清洁但成本高昂，而铜-氯(Cu-Cl)热化学循环因操作温度低、转化效率高成为有前景的替代方案。该技术的核心组件——Cu-Cl电解槽中，Nafion质子交换膜的性能直接决定产氢效率。但现有研究对酸性高铜离子浓度环境下H⁺
传输机制认识不足，且Cu⁺
/Cu²⁺
对膜结构的破坏机制尚不明确。

中国原子能科学研究院的研究团队通过分子动力学(MD)模拟，系统研究了水合Nafion膜中H⁺
和铜离子在电场作用下的迁移行为。研究发现：电场强度超过阈值时，H⁺
通过Grotthuss机制（质子跳跃）的迁移效率显著提升，而Cu²⁺
会形成稳定的[Cu(H₂
O)₆
]²⁺
溶剂化壳，破坏水分子氢键网络，使膜电导率下降40%。该成果发表于《Journal of Electroanalytical Chemistry》，为开发抗铜污染的高效质子交换膜提供了理论指导。

关键技术包括：1) 构建Nafion-117单体模型（等效重量EW=1100）；2) 采用力场参数验证膜密度（1.69-2.0 g/cm³
）与实验值吻合；3) 设置0-0.7 V/nm电场梯度；4) 分析径向分布函数(RDF)和配位数；5) 计算扩散系数与电导率。

Computational methodology
采用70原子Nafion单体模型，包含-CF₂
-主链和-SO₃
^-
侧链，对应Nafion-117的商业规格。通过调节水分子数实现λ=5-20的水合水平，模拟体系含Cu⁺
Cl和Cu²⁺
Cl₂
混合离子环境。

Validation of Nafion model
密度分析显示水合后膜密度从2.0降至1.69 g/cm³
，与实验数据一致。孔径分布证实高水合水平下形成连续水通道网络。

Conclusions
研究揭示：1) 电场>0.5 V/nm时H⁺
迁移转为漂移主导，电导率提升2倍；2) Cu²⁺
使体系电导率降低至纯H⁺
体系的60%；3) 水合水平λ=15时达到最佳H⁺
传输效率。该发现阐明了Cu-Cl电解槽中膜性能衰减的微观机制，为开发耐铜离子污染的改性Nafion膜指明了方向——需抑制Cu²⁺
溶剂化壳形成并优化水通道连续性。