Influence of Mesoscale Interactions on Proton, Water, and Electrokinetic Transport in Solvent-Filled Membranes: Theory and Simulation

电动现象 微尺度化学 质子输运 水运 质子 化学物理 化学 材料科学 化学工程 纳米技术 水流 物理 环境工程 环境科学 生物化学 数学教育 数学 量子力学 工程类
作者
Andrew R. Crothers,Ahmet Kusoglu,Clayton J. Radke,Adam Z. Weber
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:38 (34): 10362-10374 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.2c00706
摘要

Transport of protons and water through water-filled, phase-separated cation-exchange membranes occurs through a network of interconnected nanoscale hydrophilic aqueous domains. This paper uses numerical simulations and theory to explore the role of the mesoscale network on water, proton, and electrokinetic transport in perfluorinated sulfonic acid (PFSA) membranes, pertinent to electrochemical energy-conversion devices. Concentrated-solution theory describes microscale transport. Network simulations model mesoscale effects and ascertain macroscopic properties. An experimentally consistent 3D Voronoi-network topology characterizes the interconnected channels in the membrane. Measured water, proton, and electrokinetic transport properties from literature validate calculations of macroscopic properties from network simulations and from effective-medium theory. The results demonstrate that the hydrophilic domain size affects the various microscale, domain-level transport modes dissimilarly, resulting in different distributions of microscale coefficients for each mode of transport. As a result, the network mediates the transport of species nonuniformly with dissimilar calculated tortuosities for water, proton, and electrokinetic transport coefficients (i.e., 4.7, 3.0, and 6.1, respectively, at a water content of 8 H2O molecules per polymer charge equivalent). The dominant water-transport pathways across the membrane are different than those taken by the proton cation. Finally, the distribution of transport properties across the network induces local electrokinetic flows that couple water and proton transport; specifically, local electrokinetic transport induces water chemical-potential gradients that decrease macroscopic conductivity by up to a factor of 3. Macroscopic proton, water, and electrokinetic transport coefficients depend on the collective microscale transport properties of all modes of transport and their distribution across the hydrophilic domain network.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
kopp发布了新的文献求助10
1秒前
孙明浩发布了新的文献求助20
4秒前
4秒前
丰富凝阳关注了科研通微信公众号
5秒前
梦槐完成签到,获得积分10
7秒前
JC完成签到,获得积分20
7秒前
8秒前
hjzh完成签到,获得积分10
8秒前
987完成签到,获得积分10
9秒前
9秒前
Ava应助森诺采纳,获得10
10秒前
25_1完成签到,获得积分10
14秒前
科研通AI6.4应助Hosea采纳,获得10
16秒前
帅气书白完成签到,获得积分10
16秒前
吃布丁蚊子不叮完成签到 ,获得积分20
16秒前
聪明的中心完成签到,获得积分10
17秒前
bajie01发布了新的文献求助10
18秒前
wanci应助25_1采纳,获得10
18秒前
小二郎应助dawn采纳,获得10
18秒前
18秒前
森诺发布了新的文献求助10
20秒前
窦潞娜发布了新的文献求助10
22秒前
笨笨发布了新的文献求助10
24秒前
cc完成签到,获得积分10
24秒前
24秒前
24秒前
清秀的小狗完成签到,获得积分10
25秒前
hdjdb完成签到 ,获得积分10
25秒前
26秒前
26秒前
深情安青应助科研通管家采纳,获得10
26秒前
香蕉觅云应助科研通管家采纳,获得10
26秒前
26秒前
26秒前
26秒前
在水一方应助科研通管家采纳,获得10
27秒前
27秒前
27秒前
27秒前
27秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Lewis’s Child and Adolescent Psychiatry: A Comprehensive Textbook Sixth Edition 2000
Wolffs Headache and Other Head Pain 9th Edition 1000
Continuing Syntax 1000
Signals, Systems, and Signal Processing 510
Austrian Economics: An Introduction 400
中国公共管理案例库案例《一梯之遥的高度》 400
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 物理 内科学 复合材料 催化作用 物理化学 光电子学 电极 细胞生物学 基因 无机化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 6227764
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 8052554
关于积分的说明 16791802
捐赠科研通 5310666
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2828861
邀请新用户注册赠送积分活动 1806507
关于科研通互助平台的介绍 1665276