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Investigating Correlations in Hydroxide Ion Transport in Anion Exchange Membranes from Atomistic Molecular Dynamics Simulations

分子动力学 离子 化学物理 膜 氢氧化物 材料科学 化学 统计物理学 物理 计算化学 无机化学 有机化学 生物化学
作者
Mohammed Al Otmi,Ping Chang Lin,William Schertzer,Coray M. Colina,Rampi Ramprasad,Janani Sampath
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (18): 11270-11279 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsapm.4c01827
摘要

Anion exchange membranes offer a promising alternative to the more expensive proton exchange membrane fuel cells; however, hydroxide ion conductivity in anion exchange membranes is poorly understood. In this paper, we use classical molecular dynamics simulations to study the structure and ion transport properties of four different polyethylene-based membranes prepared from ethylene- co -vinyl-acetate (EVA). We examine the microstructure of the membranes and find that polymers with a narrow cavity size distribution have tighter packing of water molecules around hydroxide ions, compared to membranes with a broad cavity distribution. We calculate the structure factor of the hydrated membranes and find a peak between 1 and 4 nm –1, characteristic of ionic clusters in these materials. We estimate the self-diffusion coefficient of water and hydroxide ions and find that water molecules have a higher diffusion than hydroxide ions across all systems. The trends in hydroxide diffusion align well with experimental conductivity measurements. For systems with broad cavities, water facilitates hydroxide diffusion through vehicular transport, and in systems with narrow cavities, both ion hopping and vehicular transport are observed; this is quantified by calculating ion–ion and ion–solvent correlations through the Onsager transport coefficient framework.
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