Dinámica del agua y especies catiónicas en canales de conducción de membranas de Nafion mediante simulaciones computacionales.

HEBER ANDRADA; LUIS REINAUDI; M. CECILIA GIMÉNEZ; ALEJO C. CARRERAS

Córdoba

Congreso; 106 RAFA; 2021

Asociación física Argentina

Uno de los componentes principales de las celdas de combustible con membrana de intercambio protónico (PEMFCs) es la membrana polimérica utilizada como electrolito, la cual debe presentar alta conductividad protónica, baja conductividad electrónica, baja permeabilidad al combustible, buenas estabilidades quı́mica y térmica, buenas propiedades mecánicas y un costo relativamente bajo, para su utilización en PEMFCs. El rendimiento de una PEMFC se encuentra directamente relacionado con el transporte de protones a través de la membrana, el cual a su vez depende del contenido y distribución de las moléculas de agua en dicha membrana. Por tal motivo, resulta de interés el estudio del comportamiento de las moléculas de agua y sus especies catiónicas dentro de los canales de conducción.En este trabajo se estudia la distribución espacial de las moléculas de agua, mediante cálculos de funciones de distribución radial (RDF) para las distancias medias entre los átomos de oxı́geno y azufre pertenecientes a los grupos sulfonato y los átomos de hidrógeno y oxı́geno pertenecientes a las moléculas de agua. Para ello se realizan simulaciones computacionales para representar los dominios hidrofı́licos en la membrana de Nafion, considerando diferentes grados de hidratación. Se utiliza el programa LAMMPS [http://lammps.sandia.gov] y se propone un modelo de canal cilı́ndrico de 5 nm de largo y 2 nm de radio, en el cual 40 grupos sulfónicos interactúan con diferentes cantidades de moléculas 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 dynamics simulations?, J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 8919-8927], que permite la ruptura y generación de enlaces quı́micos.También se realiza un análisis del comportamiento dinámico de las moléculas de agua dentro del canal. Se observa que para λ = 1 todas las moléculas de agua se encuentran protonadas y se ubican preferentemente cerca de los grupos sulfonato. A medida que aumenta el contenido de agua comienzan a formarse diferentes especies protonadas (cationes hidronio solvatados), tales como H 5 O 2 + , H 7 O 3 + y H 9 O 4 + , que tienden a ubicarse en el centro del canal, mientras que las moléculas de agua comienzan a agruparse en las paredes del mismo.