Boosting Phosphoric Acid Retention in Polymer Electrolyte Membranes by Zwitterions: Insights from DFT Calculations and MD Simulations

两性离子 化学 氢键 密度泛函理论 电解质 亲缘关系 分子动力学 磷酸 化学物理 计算化学 分子 立体化学 有机化学 物理化学 生物化学 电极
作者
Hanyu Wu,Jiabin Yin,Xunda Feng
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (49): 10636-10646 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c05719
摘要

Effective retention of phosphoric acid (PA) is crucial for the efficient operation of fuel cells based on PA-doped polymeric membranes, which is highly challenging due to the moisture-induced loss of PA. Therefore, a comprehensive understanding of the interplay among PA, functional groups, and water is essential for designing membrane materials. Using density functional theory (DFT) calculations and molecular dynamics (MD) simulations, we unveil the remarkable capability of zwitterions to effectively sequester PA, thereby unlocking the potential for fuel cell optimization. Our DFT calculations show that zwitterions, termed "charged proton-accepting bases", exhibit stronger interactions with PA compared to the traditional neutral proton-accepting bases. Furthermore, the presence of water amplifies such a discrepancy, with the zwitterion-PA interactions playing a dominant role in the zwitterion-PA-water cluster due to the strongest affinity of zwitterions to PA. Conversely, the ability of neutral bases to retain PA is significantly attenuated by moisture as the interactions between water and PA surpass those between neutral bases and PA. The strong zwitterion-PA associations arise primarily from the formation of multiple hydrogen bonds. Furthermore, MD simulations reveal the uniform distribution of zwitterions in aqueous environments and their pronounced affinities for both PA and water. In contrast, neutral bases tend to aggregate, interacting limitedly with PA. These findings underscore the effectiveness of zwitterions in boosting PA retention in fuel cells.

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