日前，天津大学焦魁教授团队，在以往研究工作的基础上（详见论文附录），全面探讨了分子动力学模拟方法在揭示燃料电池催化层传质和结构演变机理、以及指导催化层微观结构设计中发挥的作用。

相关论文已在国际权威期刊《能源与燃烧科学进展》（Progress in Energy and Combustion Science，影响因子32）发表；论文第一作者是天津大学樊林浩副教授；共同通讯作者是美国加州大学欧文分校Yun Wang教授、天津大学焦魁教授。天津大学机械工程学院（先进内燃动力全国重点实验室）为本文第一单位，研究得到国家自然科学基金项目和博士后基金项目支持。

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种重要发电技术，其洁净、高效、无污染的特点越来越引起世人关注。尤其氢燃料电池，因其零污染、高效率的特质，已开始逐渐应用于公共交通、商用车辆、船舶等场景。催化层是燃料电池的“心脏”，其发展对于实现高性能、低成本的燃料电池至关重要。

催化层是由催化剂、碳载体、高分子电解质组成的多孔物质，其内部发生着气体传递、水传输、质子和电子传导、以及电化学反应等现象。厘清这些复杂现象是设计好催化层的关键。然而，催化层的特征结构尺寸只有数纳米，因此传统的实验手段很难观测其内部复杂现象。分子动力学模拟（MD）是能够直接考虑分子结构的模拟方法，常用于探究纳观尺度的结构和传输特性。

本文探讨了：1）不同MD模拟方法的基本原理、优缺点和模型验证手段，包括粗粒度分子动力学模拟（CGMD）、经典分子动力学模拟（CMD）、反应分子动力学模拟（RMD）、从头算分子动力学（AIMD）、以及机器学习分子动力学模拟（MLMD）；2）以往的分子动力学模拟工作，包括对于离聚物形貌、离聚物中的质子传导、离聚物中的气体传输、离聚物机械特性、催化剂表面的氧气吸附、离聚物薄膜形貌、三相界面形貌、局部氧气传输、冰成核过程、离聚物在浆料中的分散、离聚物在催化剂颗粒上的自组织等的研究；3）催化剂、碳载体、电解质和催化层结构的最近研究进展，以及MD方法在其中起到的作用；4）MD建模面临的主要挑战和未来的发展前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pecs.2025.101220

以往主要论文总结：

1. Towards Ultralow Platinum Loading Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Energy & Environmental Science, 2023, 16: 1466-1479

2. Oxygen transport routes in ionomer film on polyhedral platinum nanoparticles. ACS Nano, 2020, 14, 17487-17495

3. Molecular Understanding of the Role of Catalyst Particle Arrangement in Local Mass Transport Resistance for Fuel Cells. Advanced Science, 2024, doi:10.1002/advs.202409755

4. Linking the ionomer film morphology and nanoscale oxygen transport properties in fuel cells. Applications in Energy and Combustion Science, 2024, 17, 100243

5. Enhanced oxygen transport in ionomer films on platinum electrodes via a local electric field. Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 21102-21111

6. Enhancing oxygen transport in the ionomer film on platinum catalyst using ionic liquid additives. Fundamental Research, 2022, 2, 230-236

7. Molecular dynamics simulation of diffusion and O2 dissolution in water using four water molecular models. Journal of The Electrochemical Society, 2021, 168: 034520

8. Oxygen permeation resistances and routes in nanoscale ionomer thin film on platinum surface. Journal of The Electrochemical Society, 2021, 168(1), 014511

9. Mechanism of water content on the electrochemical surface area of the catalyst layer in the proton exchange membrane fuel cell. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2019, 10 (20), 6409-6413

10. Effects of side chain length on the structure, oxygen transport and thermal conductivity for perfluorosulfonic acid membrane: Molecular dynamics simulation. Journal of The Electrochemical Society, 2019, 166(8), F511