Suitable acid groups and density in electrolytes to facilitate proton conduction

聚合物 膦酸盐 聚合物电解质 化学 质子 电解质 电导率 分子 碳氢化合物 计算化学 高分子化学 有机化学 物理化学 离子电导率 电极 物理 量子力学
作者
Takaya Ogawa,Hidenori Ohashi,Gopinathan M. Anilkumar,Takanori Tamaki,Takeo Yamaguchi
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:23 (41): 23778-23786 被引量:6
标识
DOI:10.1039/d1cp00718a
摘要

Proton conducting materials suffer from low proton conductivity under low-relative humidity (RH) conditions. Previously, it was reported that acid-acid interactions, where acids interact with each other at close distances, can facilitate proton conduction without water movement and are promising for overcoming this drawback [T. Ogawa, H. Ohashi, T. Tamaki and T. Yamaguchi, Chem. Phys. Lett., 2019, 731, 136627]. However, acid groups have not been compared to find a suitable acid group and density for the interaction, which is important to experimentally synthesize the material. Here, we performed ab initio calculations to identify acid groups and acid densities as a polymer design that effectively causes acid-acid interactions. The evaluation method employed parameters based on several different optimized coordination interactions of acids and water molecules. The results show that the order of the abilities of polymer electrolytes to readily induce acid-acid interactions is hydrocarbon-based phosphonated polymers > phosphonated aromatic hydrocarbon polymers > perfluorosulfonic acid polymers ≈ perfluorophosphonic acid polymers > sulfonated aromatic hydrocarbon polymers. The acid-acid interaction becomes stronger as the distance between acids decreases. The preferable distance between phosphonate moieties is within 13 Å.
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