Correlating solvation shell dynamics and ion transport in highly ordered nanoporous polymers

作者
Ranadeb Ball,Christopher S. Johnson,Lizhu Zhang,Rebecca N. Hopkins,Junkyu Hwang,Karen I. Winey,Amish J. Patel,Chinedum O. Osuji,Jessica M. Anna
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41467-026-73642-8
摘要

A molecular-level understanding of the role of hydration in ion transport is essential for developing the next generation of polymeric anion exchange membranes (AEMs). Structural heterogeneity of conventional membranes, complex ion-water and ion-membrane interactions, and overlapping timescales, significantly hamper progress toward a comprehensive understanding. In this work, we use RH-dependent 2DIR and, EIS along with MD simulation to investigate the role of hydration in ion transport in a highly-ordered synthetic AEM with structural uniformity. 2DIR reveals sub-diffusive ion hopping timescales, while EIS measurements yield ion conductivity and enthalpic and entropic barriers for ion transport. Comparing the sub-diffusive and diffusive ion motions suggests a structural transport mechanism dictates ion diffusion across all hydration levels. A nonlinear relationship between ion hopping time and ion conductivity indicates a deviation of ion motion from Nernst-Einstein (NE) behavior. Finally, we demonstrate that hydration primarily regulates ion hopping rates, through tuning ion-pair interactions, thus influencing the activation barrier for ion transport in extremely nanoconfined AEMs.
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