随着世界经济的快速发展,能源与环境问题日益突出,质子交换膜燃料电池由于其清洁环保、能源可再生和启动快等特点受到各界重视,但应用并没有非常广泛,原因有很多,其中很大一部分源于质子交换膜。由于质子交换膜离子通道中影响质子传递行为的因素很多,传统的实验或模拟方法无法使质子交换膜的发展出现新的突破。本文采用经典分子动力学模拟方法,以功能化的单壁碳纳米管为质子交换膜离子通道降维简化模型,通过改变碳纳米管的结构分析了质子交换膜离子通道的大小、通道内壁氟的含量、通道内表面磺酸基团的局部分布等因素分别以及共同对通道内水合质子传递行为的影响,并采用改变温度的方式分析了规则螺旋状氢键结构的形成机理。研究发现,在没有任何修饰大管径碳纳米管中,分子呈散乱分布,在任意方向上形成氢键。大量无规则氢键分支,增加了无效传递的可能,进而减慢质子在通道方向上的长程传递。缩小管径尺寸强制破坏一部分氢键分支。但是会增大水合质子在通道入口处的自由能垒,不利于水合质子进入通道。通过在碳纳米管内壁修饰氟原子,降低了管口水合质子的自由能垒,促进水合质子进入通道,但是如果通道尺寸太小,还会升高水分子在管口的自由能垒,减少进入通道的水分子数量,并且氟与其它管内分子竞争形成氢键的几率,从而导致通道内水分子与水合质子之间的氢键结构不再连续。而大管径氟化碳纳米管中,因为通道尺寸增大,保证通道内水合质子数量的同时,使更多的水分子进入通道。氟与分子间的氢键作用使分子分布在管壁附近形成规则的螺旋状连续氢键网络,管轴心附近几乎没有分子存在,从而减少了径向上氢键分支的形成。通过分析不同温度下氢键结构的组分,我们发现螺旋状氢键结构的形成主要依靠水与水合质子之间的氢键作用,而这种氢键作用在氟的影响下比较稳定,不易被高温破坏。此外氟化作用还加速了通道中氢键结构的更新,有利于水合质子在通道轴向沿氢键网络长程快速传递。磺酸基团对质子传递的影响与磺酸基团上水合质子的解离效率紧密相关。而距离较近的磺酸基团会对水合质子产生叠加影响,磺酸基团距离太近时(约2.38?),氟的加入,增强了这种叠加影响,使水合质子同时与邻近的两个磺酸基团形成氢键寿命很长的架桥捕获状态,不利于水合质子的解离。随着磺酸基团之间距离增大,磺酸基团之间的叠加影响减小,水合质子的捕获现象也逐渐减弱。而此时氟的存在降低了磺酸基团附近的自由能垒。促进磺酸基团上水合质子的解离。在氟修饰磺酸基团轴向距离为7.14?的F3体系中不再存在水合质子的捕获现象。