Origins of Enhanced Ion Transport in Nanostructured Anion-Conducting Polyelectrolytes

化学 聚电解质 离子运输机 离子 化学工程 纳米技术 聚合物 纳米结构 膜转运 无机化学 水溶液
作者
Mincheol Kim,Ge Sun,Zhiying Yi,Mrinmay Mandal,Ruilin Dong,K Wang,Paul A. Kohl,Zhongyang Wang,Christopher G. Arges,Shrayesh N. Patel,Juan Pablo,Paul F. Nealey
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (23): 24260-24273
标识
DOI:10.1021/jacs.6c05179
摘要

Ion-conducting polymer chemistry and microstructure profoundly impact membrane water uptake and ionic conductivity. Water uptake strongly impacts ionic conductivity; yet excess water uptake compromises ion-exchange membrane mechanical properties. Although nanophase separation has been proposed to overcome this trade-off, it is unclear how polymer backbone architecture governs ionic nanostructure and its subsequent impact on water uptake and conductivity. Here, we integrate experiments and molecular dynamics simulations to elucidate the role of backbone chemistry in governing ionic nanostructure, hydration behavior, and ion transport in anion-conducting polyelectrolytes (ACPs). We systematically investigate hydrocarbon polynorbornene (PNB)-based ACPs with three distinct backbone architectures: vinyl-addition polymerization (VAP), ring-opening metathesis polymerization (ROMP), and hydrogenated ROMP. While maintaining comparable ion exchange capacities (IECs) and identical side-chain chemistry, we isolate the effects of backbone structure. We show that nanophase-separated ionic nanostructures originate in the dry state and evolve upon hydration through heterogeneous water uptake, with water preferentially partitioning into ion-rich domains. This nanophase separation arises from a delicate interplay between ionic segregation propensity and the entropic barrier imposed by backbone stiffness. Specifically, flexible backbones intensify attractive ion-ion interactions by reducing the entropic penalty for backbone deformation, promoting nanophase separation, while rigid backbones suppress ionic nanostructure formation. Nanophase-separated ion domains locally concentrate water upon hydration, which in turn enables the connectivity required for fast transport at lower water concentration values. These findings demonstrate that backbone chemistry can be tuned as a design lever to promote nanophase separation and enhance ion transport without excessive water uptake.
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