不同水合状态下阴离子交换膜的离子传输分析：将实验结果与分子动力学模拟相结合

《ACS Applied Polymer Materials》：Ion Transport Analysis of Anion-Exchange Membranes in Various Hydration States: Combining Experiments with Molecular Dynamics Simulation

阴离子交换膜（AEM）的离子电导率受湿度影响显著，本研究通过原子动力学模拟揭示三甲基铵取代聚苯乙烯（TMA-PF）在λ=0-10水含量下的结构演变规律。结果表明：高含水量时水分子形成连续亲水通道促进离子传导，低湿度下阴离子与交换基团间强静电作用导致其被困，阻碍迁移运动。该发现为优化AEM材料设计和工程应用提供了理论依据。

　　

基于阴离子交换膜（AEM）的系统是燃料电池和水电解器的一种可行方案，因为它们在碱性条件下运行，并且可以使用成本较低、储量丰富的催化剂，如铁和镍。目前AEM面临的主要挑战是阴离子导电性低以及化学（碱性）稳定性不足。特别是在低湿度条件下，阴离子导电性会进一步下降。为了解决这些问题，有必要研究聚合物的形态如何随水合状态变化，以及为什么低湿度会导致阴离子导电性降低。在本研究中，作者采用了全原子分子动力学（MD）模拟方法，来阐明之前由Nara等人（Polym. Adv. Technol. 2022, 33, 2863–2871）报道的、含有三甲铵基团的聚氟烃（TMA-PF）在不同含水量（每个阴离子交换基团对应的水分子数：λ = 0–10）下的水合结构。模拟结果显示，随着含水量的增加，阴离子交换基团与水分子形成了聚集体，这些聚集体构成了连通的亲水相，从而形成了阴离子传导路径。即使在低水合状态下，这些亲水通道仍然保持连通。进一步分析阴离子交换基团周围的局部结构后发现，在低湿度条件下，大多数阴离子被多个阴离子交换基团所束缚。阴离子与阴离子交换基团之间的强静电相互作用抑制了阴离子的移动性，从而导致低湿度条件下的阴离子导电性降低。本研究结合实验和计算方法所得到的发现，有助于推动基于AEM的系统的实际应用。