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Effect of Ionic Groups on the Morphology and Transport Properties of a Novel Perfluorinated Ionomer Containing Sulfonic and Phosphonic Acid Groups: A Molecular Dynamics Study

磺酸 离聚物 离子键合 氢铵 化学 分子动力学 分子 水溶液 相(物质) 高分子化学 化学工程 离子 聚合物 有机化学 计算化学 工程类 共聚物 生物化学
作者
Zongwei Zhang,Rui Cui,Xuesong Jiang,Chunyang Yu,Yongfeng Zhou
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:26 (16): 12806-12819
标识
DOI:10.1039/d4cp00962b
摘要

Combining the phosphonic acid group with the sulfonic acid group in PEMs has been shown to be an effective strategy for improving the fuel cell performance. However, the interplay of two different ionic groups and the resulting effect on the membrane properties have not been fully elucidated. Here, we used classical molecular dynamics simulation to investigate the morphologies, transport properties and effects of ionic groups in a novel perfluorinated PEM containing two ionic groups (PFSA-PFPA) in comparison to the corresponding homopolymers. Phase separations between hydrophilic and hydrophobic domains are confirmed in these PEMs and result from the evolution of water clusters formed around the ionic groups. The combination of both ionic groups brings a complicated morphological feature in PFSA-PFPA, with near-cylindrical aqueous domains of large length scales interconnected by tortuous domains of small sizes. And we found that the self-diffusion coefficients of water molecules are strongly related to morphologies, with the water transport in PFSA-PFPA lying between two analogous homopolymers. At the molecular level, we found that the sulfonic and phosphonic acid groups have distinct effects on the coordination behaviors and the dynamics of water molecules and hydronium ions. Strong electrostatic interactions lead to compact coordination structures and sluggish dynamics of hydronium ions around phosphonic acid groups, which determine the morphological evolution and transport properties in PFSA-PFPA. Our study affords insights into the relationship between molecular characteristics and transport properties bridged by phase-separated morphologies in a novel PEM containing both sulfonic acid and phosphonic acid groups, which deepens the understanding of the interplay between two ionic groups and may inspire the rational design of high-performance PEMs.
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