Ion Diffusion through Nanocellulose Membranes: Molecular Dynamics Study

扩散 材料科学 化学物理 离子 电导率 纳米纤维素 分子动力学 离子电导率 离子键合 纳米技术 纤维素 化学 电解质 计算化学 物理化学 热力学 物理 有机化学 生物化学 电极
作者
Mohit Garg,Igor Zozoulenko
出处
期刊:ACS applied bio materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (12): 8301-8308 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsabm.1c00829
摘要

One of the most promising applications of nanocellulose is for membranes for energy storage devices including supercapacitors, batteries, and fuel cells. Several recent studies reported the fabrication of cellulose-based membranes where ionic conductivity was confined to channels. So far, theoretical understanding of the effect of the nanoconfinement and surface charged groups on the diffusion coefficient of ions in cellulose nanochannels is missing. In the present study, we perform atomistic molecular dynamics simulations to provide this theoretical understanding and unravel mechanisms affecting the ionic diffusion in nanochannels. We demonstrate that the diffusion coefficient of ions in cellulose nanochannels is reduced in comparison to its bulk value. The change of the diffusion coefficient depends on the density of charged surface groups in nanochannels and the channel height, and it is primarily caused by the Coulomb interaction between the ions and the surface. We believe that our results reveal an important structure/property relationship in cellulose nanochannels, and they show that accounting for the dependence of the diffusion coefficient on the charge of the surface groups and channel height can be important for the Nernst-Plank-Poisson modeling of the ion conductivity in nanomembranes as well as for accurate fitting the experimental data to extract the material parameters.
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