Abstract Ionic conductivity and alkaline stability are the key properties that limited the widespread application of anion-exchange membranes (AEM) in electrochemical energy conversion/storage systems. In recent years, quaternary ammonium functionalized poly (ether ether ketone) (PEEK) membranes serve as a promising solution due to the good mechanical and chemical properties. Varied ionic conductivity and alkaline stability could be obtained when the membrane contains different functionalized side chains. However, it's still a challenge to understand the mechanism from the experimental study because various parameters could affect the electro-chemical performance of the membranes. In this work, we conduct coarse-grained molecular dynamics simulations to investigate two PEEK-based membranes, in which the side chains contain one (SQ) or two (GQ) quaternary ammonium groups. The simulation results indicate the self-diffusion coefficients in SQ and GQ are quite similar which should not be the main reason for the improved ionic conductivity of GQ, while the obviously increased ion-exchange capacity of GQ should result in the improved ionic conductivity. Furthermore, the simulation reveals that more water molecules wrap around the OH− in GQ, which could lead to the improved alkaline stability in comparison to that of SQ. This work provides a deeper understanding for the design of grafted copolymer based AEM with QA functional side chains.

中文翻译：

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侧链对聚醚醚酮基阴离子交换膜电化学性能的影响：分子动力学研究

摘要 离子电导率和碱性稳定性是限制阴离子交换膜 (AEM) 在电化学能量转换/存储系统中广泛应用的关键特性。近年来，季铵功能化聚（醚醚酮）（PEEK）膜由于其良好的机械和化学性能而成为一种很有前途的解决方案。当膜含有不同的官能化侧链时，可以获得不同的离子电导率和碱性稳定性。然而，从实验研究中理解机理仍然是一个挑战，因为各种参数都会影响膜的电化学性能。在这项工作中，我们进行了粗粒度分子动力学模拟来研究两种基于 PEEK 的膜，其中侧链含有一个 (SQ) 或两个 (GQ) 季铵基团。模拟结果表明，SQ 和 GQ 中的自扩散系数非常相似，这不应是 GQ 离子电导率提高的主要原因，而 GQ 离子交换容量的明显增加应导致离子电导率的提高。此外，模拟表明更多的水分子包裹在 GQ 中的 OH− 周围，与 SQ 相比，这可能导致碱性稳定性的提高。这项工作为设计具有 QA 功能侧链的基于接枝共聚物的 AEM 提供了更深入的理解。而 GQ 明显增加的离子交换容量应该会导致离子电导率的提高。此外，模拟表明更多的水分子包裹在 GQ 中的 OH− 周围，与 SQ 相比，这可能导致碱性稳定性的提高。这项工作为设计具有 QA 功能侧链的基于接枝共聚物的 AEM 提供了更深入的理解。而 GQ 明显增加的离子交换容量应该会导致离子电导率的提高。此外，模拟表明更多的水分子包裹在 GQ 中的 OH− 周围，与 SQ 相比，这可能导致碱性稳定性的提高。这项工作为设计具有 QA 功能侧链的基于接枝共聚物的 AEM 提供了更深入的理解。