Simulation study of the effects of phase separation on hydroxide solvation and transport in anion exchange membranes

氢氧化物 溶剂化 化学工程 离子交换 扩散 化学 相(物质) 离子强度 离子键合 电导率 离子 无机化学 化学物理 热力学 物理化学 有机化学 水溶液 生物化学 物理 工程类
作者
Chen Chen,Christopher Arntsen,Ying‐Lung Steve Tse
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:152 (9): 094903-094903 被引量:13
标识
DOI:10.1063/1.5143168
摘要

Anion exchange membranes (AEMs) can be cheaper alternatives than proton exchange membranes, but a key challenge for AEMs is to archive good ionic conductivity while maintaining mechanical strength. Diblock copolymers containing a mechanically strong hydrophobic block and an ion-conducting hydrophilic block have been shown to be viable solutions to this challenge. Using our recently developed reactive hydroxide model, we investigate the effects of block size on the hydroxide solvation and transport in a diblock copolymer (PPO-b-PVBTMA) in its highly hydrated state. Typically, both hydroxide and water diffusion constants decrease as the hydrophobic PPO block size increases. However, phase separation takes place above a certain mole ratio of hydrophobic PPO to hydrophilic PVBTMA blocks and we found it to effectively recover the diffusion constants. Extensive analyses reveal that morphological changes modulate the local environment for hydroxide and water transport and contribute to that recovery. The activation energy barriers for hydroxide and water diffusion show abrupt jumps at the same block ratios when such recovery effects begin to appear, suggesting transformation of the structure of water channels. Taking the advantages of partial phase separation can help optimize both ionic conductivity and mechanical strength of fuel cell membranes.
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