ナフィオン燃料電池膜と逆ミセルの陽子輸送と水環境

さまざまな水分補給レベルでのナフィオン燃料電池膜のナノ鏡水路における閉じ込められた水と拡散したプロトン移動速度の特性は、光酸ピラニンを使用して既知の水ナノプールサイズを持つ一連のよく特徴のAOT逆ミセルの水と比較されます。分子プローブ。ナフィオンの側鎖は、水路に沿って配置されているナトリウム対イオンを備えたスルホン酸塩基によって終了します。AOTには、逆ミセルの水ナノプールと界面を形成するナトリウム対イオンを備えたスルホン酸ヘッドグループがあります。励起状態の脱プロトン化の程度は、定常状態の蛍光測定によって観察されます。陽子移動速度論と方向緩和は、時間相関単一光子カウントを使用した時間依存性蛍光によって測定されます。脱プロトン化の時間依存性は、光酸から離れた拡散的なプロトン輸送に関連しています。長時間スケールのプロトン輸送を反映する蛍光は、T-3/2の電力法則を持つバルク水とは対照的に、約0.8の電力法則の崩壊を持っています。特定の水分補給レベルのナフィオンについては、励起状態のプロトン移動と方向緩和は、関連するサイズの水ナノプールで観察されたものと似ています。さまざまな水分補給レベルでのナフィオン水チャネルの有効なサイズは、対応するプロトン移動動力学と方向緩和を示すAOT逆ミセルの既知のサイズによって推定されます。

The properties of confined water and diffusive proton-transfer kinetics in the nanoscopic water channels of Nafion fuel cell membranes at various hydration levels are compared to water in a series of well-characterized AOT reverse micelles with known water nanopool sizes using the photoacid pyranine as a molecular probe. The side chains of Nafion are terminated by sulfonate groups with sodium counterions that are arrayed along the water channels. AOT has sulfonate head groups with sodium counterions that form the interface with the reverse micelle's water nanopool. The extent of excited-state deprotonation is observed by steady-state fluorescence measurements. Proton-transfer kinetics and orientational relaxation are measured by time-dependent fluorescence using time-correlated single photon counting. The time dependence of deprotonation is related to diffusive proton transport away from the photoacid. The fluorescence reflecting the long time scale proton transport has an approximately t-0.8 power law decay in contrast to bulk water, which has a t-3/2 power law. For a given hydration level of Nafion, the excited-state proton transfer and the orientational relaxation are similar to those observed for a related size AOT water nanopool. The effective size of the Nafion water channels at various hydration levels are estimated by the known size of the AOT reverse micelles that display the corresponding proton-transfer kinetics and orientational relaxation.