Capturing Hydrated Vanadium Ion Dynamics in Ionomer Nanocomposites Used for Redox Flow Batteries

离聚物 纳米复合材料 氧化还原 材料科学 离子 化学工程 无机化学 纳米技术 化学 复合材料 冶金 聚合物 有机化学 共聚物 工程类
作者
Xueting Wang,Apoorv Balwani,Madhusudan Tyagi,Eric M. Davis
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (23): 5766-5780 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.4c01203
摘要

Herein, we employed high-flux backscattering spectroscopy to capture for the first time the motions of hydrated vanadyl ions in ionomer nanocomposites prepared by both solution-cast and in situ sol-gel condensation methods. Both local and jump diffusion coefficients of the hydrated vanadyl (VO2+) ions as well as the dynamic length scales of ion motions and the fraction of immobile hydrogen atoms were extracted from the scattering spectra. Notably, for solution-cast membranes, the jump and local diffusion coefficients of hydrated VO2+ ions were seen to decrease by over 10- and 4-fold, respectively, with the introduction of 10 mass % silica nanoparticles (SiNPs) compared to their neat counterparts. Further, the VO2+ diffusion coefficients were observed to decrease with thermal annealing, though the impact of annealing was less significant than that seen with the introduction of SiNPs. Finally, in general, thermal annealing and the introduction of SiNPs had no measurable impact on the fraction of immobile hydrogen atoms in both solution-cast and sol-gel ionomer nanocomposites. The data observed in this work, in conjunction with previous structural and chain dynamics studies on hydrated Nafion-SiNP nanocomposites, suggest that a combination of stiffening of the segmental dynamics as well as a decrease in available sulfonic acid groups facilitating transport leads to an overall decrease in mobility of vanadium ions in these ionomer nanocomposites.
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