Mechanisms of proton transfer in Nafion®: elementary reactions at the sulfonic acid groups

文献情報

出版日 2008-02-21
DOI 10.1039/B718480H
インパクトファクター 3.676
著者

Mayuree Phonyiem, Charoensak Lao-ngam, Sermsiri Chaiwongwattana


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要旨

Proton transfer reactions at the sulfonic acid groups in Nafion® were theoretically studied, using complexes formed from triflic acid (CF3SO3H), H3O+ and H2O, as model systems. The investigations began with searching for potential precursors and transition states at low hydration levels, using the test-particle model (T-model), density functional theory (DFT) and ab initio calculations. They were employed as starting configurations in Born–Oppenheimer molecular dynamics (BOMD) simulations at 298 K, from which elementary reactions were analyzed and categorized. For the H3O+–H2O complexes, BOMD simulations suggested that a quasi-dynamic equilibrium could be established between the Eigen and Zundel complexes, and that was considered to be one of the most important elementary reactions in the proton transfer process. The average lifetime of H3O+ obtained from BOMD simulations is close to the lowest limit, estimated from low-frequency vibrational spectroscopy. It was demonstrated that proton transfer reactions at –SO3H are not concerted, due to the thermal energy fluctuation and the existence of various quasi-dynamic equilibria, and –SO3H could directly and indirectly mediate proton transfer reactions through the formation of proton defects, as well as the –SO3− and –SO3H2+ transition states.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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