Functional Group-Dependent Proton Conductivity of Phosphoric Acid-Doped Ion-Pair Coordinated Polymer Electrolytes: A Molecular Dynamics Study

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作者
Hyeonju Lee,William A. Goddard,JinHyeok Cha,Won Choi,Seung Hyo Noh,Hyeyoung Shin,Hyungjun Kim
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (41): 8993-8999 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c05690
摘要

Toward deployment of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEMFCs) in our daily lives, multiple research efforts have been dedicated to develop high-performance phosphate-doped polymer electrolytes. Recently, ion-pair coordinated polymers have garnered attention for their high stability and proton conductivity. However, a comprehensive understanding of how proton transport properties are modified by the functional groups present in these polymers is still lacking. In this study, we employ molecular dynamics (MD) simulations to investigate the impact of different functional group types and conversion ratios on conductivity. We find that Grotthuss-type hopping transport predominantly governs the overall conductivity, surpassing vehicular transport by factors of 100-1000. As conductivity scales with proton concentration, we observe that less-bulky functional groups offer advantages by minimizing the volume expansion associated with increased conversion ratios. Additionally, we show that a strong ion-pair interaction between the cationic functional group and the phosphate anion disrupts the suitable intermolecular orientations required for efficient proton hopping between phosphate and phosphoric acid molecules, thereby diminishing the proton conductivity. Our study underscores the importance of optimizing the strength of ion-pair interactions to balance stability and proton conductivity, thus paving the way for the development of ion-pair coordinated polymer electrolytes with improved performance.
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