Transport Mechanism in Nafion Revealed by Detailed Comparison of 1H and 17O Nuclear Magnetic Resonance Diffusion Coefficients

The Journal of Physical Chemistry Letters. 2023. Vol. 14. No. 30. P. 9335–9340.

Privalov A., Vitaly V. Sinitsyn, Vogel M.

Мы используем градиентную диффузометрию статического поля ЯМР 1H и 17O для измерения коэффициентов самодиффузии протонов (DH) и кислорода (DO) в Нафионе 212 с различными уровнями гидратации (λ = 4-18). Для всех образцов и обоих ядер мы получаем энергии активации (Ea) ≈0,19 эВ. Анализируя зависимость DH и DO от уровня гидратации, мы находим DO /DH ≈ 1 при λ ≈ 18, что напоминает ситуацию в объемной воде, в то время как диффузия кислорода становится быстрее, чем диффузия протонов, когда содержание воды id уменьшается, что приводит к DO/DH ≈ 1,2 при λ ≈ 4. Сравнение с литературными данными для кислых объемных растворов показывает, что более быстрая диффузия кислорода, чем протонов, является результатом существования полимерного каркаса. Чтобы рационализировать наблюдаемые соотношения DO/DH ≥ 1, мы рассматриваем бимодальную динамическую модель, в которой взаимодействия ионов H+(H2O)m с соседними SO3–группами приводят к более медленной динамике воды вблизи полимерного каркаса, чем в центре водных наноканалов

Ключевые слова: diffusion, диффузия, Transport properties, hydration, Fluoropolymers, фторные полимеры, гидратация, транспортные свойства