This study investigates the influence of the spacer length within anion-exchange membranes (AEMs) on their diffusion properties. Using reactive molecular dynamics with ReaxFF, three polyphenylene oxide (PPO)-based AEMs functionalized with trimethylamine (TMA) cationic groups at two hydration levels (λ = 10 and 20) were simulated at the molecular scale through three alkyl spacer chains lengths: methyl (PPO1-TMA), pentyl (PPO5-TMA), and decyl (PPO10-TMA). Our simulations capture the nanophase separation due to the amphiphilic nature of the simulated materials, where a water channel emerges to enable OH^– transport through Grotthuss and classical mechanisms. We find that the number of hydrogen bonds formed between OH^– and H₂O molecules is a key parameter governing the diffusion properties of OH^–. At a lower hydration level, PPO1-TMA has the lowest diffusion properties, whereas PPO5 and PPO10-TMA membranes show the same diffusion because pentyl and decyl spacers bend and remain stuck on the backbone because of their hydrophobicity. At a higher hydration level, the three membranes exhibit identical diffusion properties, irrespective of their spacer length, as the OH^– molecule approaches its bulk-like behavior.

中文翻译：

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使用反应分子模型研究间隔区长度对阴离子交换膜特性的影响


本研究调查了阴离子交换膜 （AEM） 内的间隔区长度对其扩散特性的影响。使用 ReaxFF 的反应分子动力学，在分子尺度上通过三个烷基间隔链长度（甲基 （PPO1-TMA）、戊基 （PPO5-TMA） 和癸基 （PPO10-TMA））在分子尺度上模拟了三个用三甲胺 （TMA） 阳离子基团官能化的 AEM：甲基 （PPO1-TMA）、戊基 （PPO5-TMA） 和癸基 （PPO10-TMA）。由于模拟材料的两亲性，我们的模拟捕获了纳米相分离，其中出现了一个水通道，使 OH^– 能够通过 Grotthuss 和经典机制进行传输。我们发现 OH^– 和 H₂O 分子之间形成的氢键数量是控制 OH^– 扩散特性的关键参数。在较低的水合水平下，PPO1-TMA 具有最低的扩散特性，而 PPO5 和 PPO10-TMA 膜表现出相同的扩散，因为戊基和癸基垫片会弯曲并由于其疏水性而保持粘在主链上。在较高的水合水平下，当 OH^– 分子接近其本体状行为时，无论它们的间隔长度如何，这三种膜都表现出相同的扩散特性。