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王哲课题组在JPCL发表附属封面论文利用中子散射揭示复合材料的质子传导机理
发布时间:2018-10-24

近日,我系教师王哲课题组在化学物理领域国际权威期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》上(2017 IF 8.7)发表了题为《受限高分子运动的结构动态特性决定多酸-聚乙二醇杂化纳米复合材料的质子传导性能》(Spatial-Temporal Characteristics of Confined Polymer Motion Determine Proton Conduction of Polyoxometalate–Poly(ethylene glycol) Hybrid Nanocomposites)的研究论文,借助中子散射技术,在分子层面上揭示了相关复合材料的质子传导机理。论文被期刊编辑选为附属封面文章(Supplementary Cover)。

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图1 中子散射揭示多酸-聚乙二醇复合材料的质子传导机理(封面论文)

质子导体材料是燃料电池的核心部件,需要在较高温度和不同湿度条件下维持高效的质子导电能力。高分子材料与多酸纳米分子簇进行复合所得到的复合材料是近来兴起的有望满足高效质子导体所有严苛要求的候选材料,但对这类材料导电机理的研究还处于初步阶段,这严重制约了材料的设计与结构的优化。

多酸-聚乙二醇杂化材料中,聚乙二醇被限制在多酸框架构建的纳米孔道中。研究人员猜测,材料的质子传导性能与受限聚乙二醇运动的时空特性有关。由于聚乙二醇中含有大量的氢元素,而中子与氢的散射截面远大于复合材料中的其他元素。因而,使用中子散射技术可以观测聚乙二醇中氢原子的运动,继而反映聚乙二醇的动力学特性。团队成员首先借助非弹性中子散射技术证实了限制在多酸框架中的聚乙二醇链的几何结构为扭曲螺旋构象。在此基础上,利用准弹性中子散射技术分析受限聚乙二醇运动的时空特征,通过对准弹性散射谱进行不同空间尺度的全局拟合,以极高的拟合质量揭示了如下特征:

(1)聚乙二醇碳链上的原子在一个长约为13Å的空间内作纵向扩散运动,运动的空间范围被Cs离子所限制;

(2)聚乙二醇碳链上的氢原子相对于碳原子作特征时间为皮秒(ps)量级的跳运动。

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图2 受限聚乙二醇的分子构象及一维扩散运动模型

基于上述发现,研究人员进一步分析了碳链上原子(C原子和O原子)的自扩散系数(D)对温度的依赖关系,并与通过AC阻抗法得到的杂化材料的质子电导率随温度变化关系进行了对比。对比发现,表征分子微观运动快慢的自扩散系数D与宏观测量得到的质子电导率随温度的变化均符合Arrhenius定律,且两曲线的斜率非常接近。这说明了C原子一维扩散运动所需的活化能与质子传导所需的活化能大致相等,即聚乙二醇的局部运动在质子传导中起到了关键作用。基于此,研究结果揭示了多酸-聚乙二醇杂化材料中质子传导过程的微观图景:质子首先与聚乙二醇链上的O原子结合,并随O原子做局部的纵向运动,质子在运动过程中可实现从一个O原子跳动到邻近的O原子上,当孔道两端施加电压时,就能实现定向的质子传导。

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图3. 质子电导率(蓝色)与自扩散系数D(红色)与温度的关系图

本研究系统揭示了多酸-聚乙二醇杂化材料的质子传导机理,指出了通过结构优化降低聚乙二醇的纵向扩散运动的能垒是实现高效质子导体的关键。

我系教师王哲与华南理工大学殷盼超教授为论文共同通讯作者,我系博士生吴华锐为论文第一作者。中子散射实验在美国橡树岭国家实验室的散裂中子源上进行。本研究得到了工程物理系科研发展基金(No. 110211012)的资助。



论文信息:Huarui Wu, Lengwan Li, Masaki Tsuboi, Yongqiang Cheng, Weiyu Wang, Eugene Mamontov , Sayaka Uchida, Zhe Wang*, and Panchao Yin*. Spatial-Temporal Characteristics of Confined Polymer Motion Determine Proton Conduction of Polyoxometalate–Poly(ethylene glycol) Hybrid Nanocomposites. The Journal of Physical Chemistry Letters 2018, 9 (19), pp 5772–5777. 


全文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b02113


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