Designing Anion-Exchange Ionomers with Oriented Nanoscale Phase Separation at a Silver Interface

材料科学 掠入射小角散射 离聚物 薄膜 化学工程 相(物质) 纳米尺度 聚合物 纳米技术 共聚物 散射 复合材料 光电子学 有机化学 化学 小角中子散射 光学 中子散射 工程类 物理
作者
Nora Catherine Buggy,Yifeng Du,Mei‐Chen Kuo,Söenke Seifert,Ryan J. Gasvoda,Sumit Agarwal,E. Bryan Coughlin,Andrew M. Herring
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (37): 20592-20605 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c06036
摘要

Performance of polymer electrolyte-based energy systems is significantly impacted by transport within the electrode catalyst layer, where ionomer thin films coat catalyst particles. Proton exchange ionomer thin films have been thoroughly characterized, but few studies have critically examined anion-exchange ionomer (AEI) thin films. Further, none have reported nanoscale phase separation for hydrocarbon AEIs, which is critical to mitigate transport resistances. In this work, a set of hydrocarbon-based AEIs with nanoscale phase separation are developed from tunable block copolymer systems composed of polyisoprene (PIp) and polychloromethylstyrene (PCMS). The effect of the PIp/PCMS ratio, architecture, and thickness on the thin-film morphology of the neutral block copolymer precursors on silicon and silver substrates is investigated using grazing-incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS) and atomic force microscopy (AFM). AEIs are prepared by quaternizing with trimethylamine or methylpiperidine and their cation-dependent morphology is characterized at 60 °C and 95% RH. A perpendicularly aligned morphology is observed on silver, while no phase separation is observed on silicon, indicating that silver–polymer interfacial interactions drive phase separation. After quaternization, dipole–dipole interactions induce some disorder, but nanoscale phase separation is still maintained. GISAXS patterns are modeled using a Unified Fit approach to understand water uptake and swelling, and recommendations for AEI design are presented.

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