Dinámica del agua y especies cationicas en canales de conduccion de membranas de Nafion mediante simulaciones computacionales.

LUIS REINAUDI; GIMENEZ CECILIA; ANDRADA, H. E.; ALEJO C. CARRERAS

Córdoba

Congreso; 106° RAFA Reunión Anual de Física - 2021; 2021

Asociación física Argentina

Uno de los componentes principales de las celdas de combustible con membrana de intercambio prot´onico(PEMFCs) es la membrana polim´erica utilizada como electrolito, la cual debe presentar alta conductividadprot´onica, baja conductividad electr´onica, baja permeabilidad al combustible, buenas estabilidades qu´ımica y t´ermica, buenas propiedades mec´anicas y un costo relativamente bajo, para su utilizaci´on en PEMFCs. El rendimientode una PEMFC se encuentra directamente relacionado con el transporte de protones a trav´es de la membrana, elcual a su vez depende del contenido y distribuci´on de las mol´eculas de agua en dicha membrana. Por tal motivo,resulta de inter´es el estudio del comportamiento de las mol´eculas de agua y sus especies cati´onicas dentro de loscanales de conducci´on.En este trabajo se estudia la distribuci´on espacial de las mol´eculas de agua, mediante c´alculos de funcionesde distribuci´on radial (RDF) para las distancias medias entre los ´atomos de ox´ıgeno y azufre pertenecientes alos grupos sulfonato y los ´atomos de hidr´ogeno y ox´ıgeno pertenecientes a las mol´eculas de agua. Para ellose realizan simulaciones computacionales para representar los dominios hidrof´ılicos en la membrana de Nafion,considerando diferentes grados de hidrataci´on. Se utiliza el programa LAMMPS [http://lammps.sandia.gov] y sepropone un modelo de canal cil´ındrico de 5 nm de largo y 2 nm de radio, en el cual 40 grupos sulf´onicos interact´uancon diferentes cantidades de mol´eculas de agua. El potencial utilizado es un potencial reactivo desarrollado porMahadevan y Garofalini [Mahadevan, T.S. y Garofalini, S.H., "Dissociative water potential for molecular dynamicssimulations", J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 8919-8927], que permite la ruptura y generaci´on de enlaces qu´ımicos.Tambi´en se realiza un an´alisis del comportamiento din´amico de las mol´eculas de agua dentro del canal. Seobserva que para λ = 1 todas las mol´eculas de agua se encuentran protonadas y se ubican preferentemente cercade los grupos sulfonato. A medida que aumenta el contenido de agua comienzan a formarse diferentes especiesprotonadas (cationes hidronio solvatados), tales como H5O2+, H7O3+ y H9O4+, que tienden a ubicarse en el centrodel canal, mientras que las mol´eculas de agua comienzan a agruparse en las paredes del mismo.