Proton Traffic Jam: Effect of Nanoconfinement and Acid Concentration on Proton Hopping Mechanism

氢铵 质子 化学物理 胶束 质子输运 离子 化学 放松(心理学) 材料科学 水溶液 物理化学 有机化学 物理 心理学 量子力学 社会心理学
作者
Ellen M. Adams,Hongxia Hao,Itai Leven,Maximilian Rüttermann,Hanna Wirtz,Martina Havenith,Teresa Head‐Gordon
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:60 (48): 25419-25427 被引量:13
标识
DOI:10.1002/anie.202108766
摘要

The properties of the water network in concentrated HCl acid pools in nanometer-sized reverse nonionic micelles were probed with TeraHertz absorption, dielectric relaxation spectroscopy, and reactive force field simulations capable of describing proton hopping mechanisms. We identify that only at a critical micelle size of W0 =9 do solvated proton complexes form in the water pool, accompanied by a change in mechanism from Grotthuss forward shuttling to one that favors local oscillatory hopping. This is due to a preference for H+ and Cl- ions to adsorb to the micelle interface, together with an acid concentration effect that causes a "traffic jam" in which the short-circuiting of the hydrogen-bonding motif of the hydronium ion decreases the forward hopping rate throughout the water interior even as the micelle size increases. These findings have implications for atmospheric chemistry, biochemical and biophysical environments, and energy materials, as transport of protons vital to these processes can be suppressed due to confinement, aggregation, and/or concentration.
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