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Ab Initio Molecular Dynamics Simulation of Proton Transfer in Narrow Ionomer Pores
Die Porengröße eines Ionomers in Polymerelektrolytbrennstoffzellen determiniert maßgeblich dessen Protonenleitfähigkeit. UnterAnwendungvon ab initio Molekulardynamik (MD)wurde der Transfer von Protonen bereits in unterschiedlichen theoretischen Studien anhand verschiedener Modelle enger Poren mit niedrigem Hydratationsniveau simuliert. Die Diffusion der Protonen wird wesentlich durch den so genannten Grotthuss-Mechanismus angetrieben, dessen Voraussetzung die Vernetzung des Protonenkomplexes über Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekulen ist. Ziel war es daher hier, die Dynamik, Quantität, Fluktuation sowie Persistenz von Wasserstoffbrückenbindungen in engen Poren zu ermitteln und zu untersuchen. Gegenstand sind Ionomer-Poren, bestehend aus hydrophilen Sulfonatgruppen und dem hydrophoben Rückgrat des Ionomers. Die Auswirkung des Wassergehalts auf das chemische Gleichgewicht innerhalb der Ionomer-Poren wird anhand der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten verschiedener Zustände des Protonenkomplexes aufgezeigt. Dabei erfolgt die Dissoziation von Protonen, wenn die Anzahl der Wassermoleküle pro hydrophiler Sulfonatgruppe, ungefähr den Wert 3 erreicht. Die Abhängigkeit der Konzentration an Hydronium- und Zundel- Zuständen der Protonenkomplexe vom Wassergehalt wird dargelegt und diskutiert. Außerdem wird das Einsetzen des Protonentransports innerhalb der engen Ionomer-Pore durch den Vergleich der Diffusionskoefzienten bei unterschiedlichem Wassergehalt demonstriert. Faktoren, wie "hydrophile Fallen", die bezüglich der Poren-Beschaffenheit die Protonenmobilität einschränken könnten, werden dargelegt und erörtert. Zudem werden die günstigsten Abstände der hydrophilen Gruppen zueinander vorgeschlagen. Das hier aufgezeigte Dichtespektrum der Ionomer-Poren, welches Aufschluss über die dynamischen und strukturellen Eigenschaften des molekularen Systems gibt, verdeutlicht, dass einige der Banden des Spektrums mit den verschiedenen Protonenkomplexen assoziert sind. ; In polymer electrolyte membrane fuel cells the ...
Ab Initio Molecular Dynamics Simulation of Proton Transfer in Narrow Ionomer Pores
Die Porengröße eines Ionomers in Polymerelektrolytbrennstoffzellen determiniert maßgeblich dessen Protonenleitfähigkeit. UnterAnwendungvon ab initio Molekulardynamik (MD)wurde der Transfer von Protonen bereits in unterschiedlichen theoretischen Studien anhand verschiedener Modelle enger Poren mit niedrigem Hydratationsniveau simuliert. Die Diffusion der Protonen wird wesentlich durch den so genannten Grotthuss-Mechanismus angetrieben, dessen Voraussetzung die Vernetzung des Protonenkomplexes über Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekulen ist. Ziel war es daher hier, die Dynamik, Quantität, Fluktuation sowie Persistenz von Wasserstoffbrückenbindungen in engen Poren zu ermitteln und zu untersuchen. Gegenstand sind Ionomer-Poren, bestehend aus hydrophilen Sulfonatgruppen und dem hydrophoben Rückgrat des Ionomers. Die Auswirkung des Wassergehalts auf das chemische Gleichgewicht innerhalb der Ionomer-Poren wird anhand der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten verschiedener Zustände des Protonenkomplexes aufgezeigt. Dabei erfolgt die Dissoziation von Protonen, wenn die Anzahl der Wassermoleküle pro hydrophiler Sulfonatgruppe, ungefähr den Wert 3 erreicht. Die Abhängigkeit der Konzentration an Hydronium- und Zundel- Zuständen der Protonenkomplexe vom Wassergehalt wird dargelegt und diskutiert. Außerdem wird das Einsetzen des Protonentransports innerhalb der engen Ionomer-Pore durch den Vergleich der Diffusionskoefzienten bei unterschiedlichem Wassergehalt demonstriert. Faktoren, wie "hydrophile Fallen", die bezüglich der Poren-Beschaffenheit die Protonenmobilität einschränken könnten, werden dargelegt und erörtert. Zudem werden die günstigsten Abstände der hydrophilen Gruppen zueinander vorgeschlagen. Das hier aufgezeigte Dichtespektrum der Ionomer-Poren, welches Aufschluss über die dynamischen und strukturellen Eigenschaften des molekularen Systems gibt, verdeutlicht, dass einige der Banden des Spektrums mit den verschiedenen Protonenkomplexen assoziert sind. ; In polymer electrolyte membrane fuel cells the ...
Ab Initio Molecular Dynamics Simulation of Proton Transfer in Narrow Ionomer Pores
Ilhan, Mehmet Ali (author) / Spohr, Eckhard
2015-02-02
Theses
Electronic Resource
English
"DFT" , "PEMFC" , Fakultät für Chemie , ddc:540 , "cpmd" , "proton transfer" , "ab-initio" , "cp2k" , "ionomer"
Swelling/Shrinkage Induced by Shear in Narrow Pores
| ASCE | 2013
Electrolytes in narrow pores / Electrolyten in engen Poren
| Online Contents | 2000
Electrolytes in narrow pores / Electrolyten in engen Poren
| Online Contents | 2000
| British Library Online Contents | 1994
Ab-initio Mixed-Basis Molecular Dynamics Simulation of C~6~0
| British Library Conference Proceedings | 1993