陰離子交換膜水電解槽（AEM-WE）是一種極具前景的綠氫制備技術(shù)。作為AEM-WE中重要的組成部分，高性能陰離子交換膜（AEM）的研發(fā)受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。為了提高AEM-WE的整體性能，AEM需要實(shí)現(xiàn)氫氧根的高效傳輸。當(dāng)前，大量的研究通過(guò)調(diào)節(jié)AEM主鏈和支鏈結(jié)構(gòu)提升AEM性能，但氫氧根在AEM中的傳輸機(jī)理尚無(wú)定論。因此，深入理解氫氧根的傳輸機(jī)制將有助于理性設(shè)計(jì)高性能陰離子交換膜。 然而，由于AEM通常具有復(fù)雜的連通孔道結(jié)構(gòu)且往往是多種擴(kuò)散機(jī)理相互耦合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征手段明確區(qū)分各種機(jī)理的貢獻(xiàn)仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。雖然理論模擬可以識(shí)別部分?jǐn)U散機(jī)理，但是目前缺乏定量分析的理論方法和工具，這在一定程度上限制了AEM中氫氧根傳輸機(jī)理的深入研究。 基于此，西湖大學(xué)人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心王濤教授團(tuán)隊(duì)采用反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)AEM中氫氧根的擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了理論研究，并通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的RDAnalyzer軟件實(shí)現(xiàn)了不同擴(kuò)散機(jī)理的高效解耦和拆分，進(jìn)而得到了Free Vehicular、Free Grotthuss、Associated Vehicular和Associated Grotthuss四種機(jī)理對(duì)于氫氧根擴(kuò)散速率的貢獻(xiàn)（圖1）。
圖1. 氫氧根在陰離子交換膜中不同擴(kuò)散機(jī)理的示意圖 基于Python語(yǔ)言，王濤教授團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了一套名為RDAnalyzer (Reactive Diffusion Analyzer)的程序用于反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬軌跡文件的分析(如圖2所示)。首先將氫氧根擴(kuò)散軌跡信息逐步轉(zhuǎn)化為分子和反應(yīng)，并獲取氫氧根的位置和氧原子的編號(hào)(id)。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算氫氧根與AEM陽(yáng)離子基團(tuán)的距離(L)便可確定擴(kuò)散機(jī)理類(lèi)型。比如，若L大于第一水化層半徑則認(rèn)為是Free擴(kuò)散機(jī)理，否則為Associated擴(kuò)散機(jī)理。隨后觀測(cè)氧原子id，如果氧原子id發(fā)生變化，則認(rèn)為是Grotthuss擴(kuò)散機(jī)理，否則為Vehicular擴(kuò)散機(jī)理。最終，RDAnalyzer將氫氧根的擴(kuò)散分解為四種不同機(jī)理，并分別計(jì)算出各機(jī)理的漂移距離和數(shù)量，進(jìn)而分析出每種機(jī)理對(duì)于氫氧根擴(kuò)散速率的貢獻(xiàn)。 該工作為研究氫氧根在AEM中的擴(kuò)散機(jī)制提供了理論新策略和機(jī)理分析新工具，有望為高性能陰離子交換膜的理性設(shè)計(jì)提供理論參考。 圖2. RDAnalyzer分析工具的原理和框架 論文信息 Rational Understanding Hydroxide Diffusion Mechanism in Anion Exchange Membranes during Electrochemical Processes with RDAnalyzer Lunliang Ma, Prof. Tao Wang 文章第一作者是西湖大學(xué)博士生馬倫亮，通訊作者是西湖大學(xué)理學(xué)院、人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心PI王濤教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202403614
