Distribución espacial de moléculas de H 2 O en canales hidrofı́licos de membranas de Nafion mediante dinámica molecular.

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

San Luis

Congreso; Trefemac; 2019

Universidad Nacional de San Luis

La membrana polimérica utilizada como electrolito es un componente clave en las celdas de combustible conmembrana de intercambio protónico (PEMFCs). Una membrana óptima para su utilización en PEMFCs debe tener una altaconductividad protónica, además de una baja conductividad electrónica, una baja permeabilidad al combustible, buenasestabilidades química y térmica, buenas propiedades mecánicas y un costo relativamente bajo.La performance de una PEMFC depende del transporte de protones en la membrana, lo cual depende a su vez delcontenido y distribución de las moléculas de agua en dicha membrana. Por tal motivo, resulta de gran interés el estudio delcomportamiento de las moléculas de agua dentro de los canales de conducción.En este trabajo se estudió la distribución espacial, estructuración y dinámica de las moléculas de agua dentro de loscanales hidrofílicos de membranas de Nafion. Para ello se utilizó el programa LAMMPS [LAMMPS molecular dynamicssimulator, http://lammps.sandia.gov] y se propuso un modelo de canal cilíndrico de 5 nm de largo y 2 nm de radio, en elcual 40 grupos sulfónicos interactúan con diferentes cantidades de moléculas de agua (  =1..5, donde  es la cantidad demoléculas de agua por cada grupo sulfonato).El potencial utilizado es un potencial reactivo desarrollado por Mahadevan y Garofalini [Mahadevan, T.S. y Garofalini,S.H., ?Dissociative water potential for molecular dynamics simulations?, J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 8919-8927], quepermite la ruptura y generación de enlaces químicos.Se determinaron funciones de distribución radial del oxígeno y del hidrógeno del agua referidos al oxígeno y al azufrede los grupos sulfonato. También se realizó un análisis del comportamiento dinámico de las moléculas de agua dentro delcanal. Se observó que para   todas las moléculas de agua se encuentran protonadas y se ubican preferentemente cercade los grupos sulfonato, mientras que a medida que aumenta el contenido de agua comienzan a formarse diferentesespecies 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 centrodel canal, al tiempo que las moléculas de agua comienzan a agruparse en las paredes del mismo.