Anion exchange membranes (AEMs) can be cheaper alternatives than proton exchange membranes, but a key challenge for AEMs is to archive good ionic conductivity while maintaining mechanical strength. Diblock copolymers containing a mechanically strong hydrophobic block and an ion-conducting hydrophilic block have been shown to be viable solutions to this challenge. Using our recently developed reactive hydroxide model, we investigate the effects of block size on the hydroxide solvation and transport in a diblock copolymer (PPO-b-PVBTMA) in its highly hydrated state. Typically, both hydroxide and water diffusion constants decrease as the hydrophobic PPO block size increases. However, phase separation takes place above a certain mole ratio of hydrophobic PPO to hydrophilic PVBTMA blocks and we found it to effectively recover the diffusion constants. Extensive analyses reveal that morphological changes modulate the local environment for hydroxide and water transport and contribute to that recovery. The activation energy barriers for hydroxide and water diffusion show abrupt jumps at the same block ratios when such recovery effects begin to appear, suggesting transformation of the structure of water channels. Taking the advantages of partial phase separation can help optimize both ionic conductivity and mechanical strength of fuel cell membranes.

1.
M. Z.
Jacobson
,
W. G.
Colella
, and
D. M.
Golden
,
Science
308
,
1901
1905
(
2005
).
2.
M. K.
Debe
,
Nature
486
,
43
51
(
2012
).
3.
S. J.
Hamrock
and
M. A.
Yandrasits
,
Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Applications
(
Taylor & Francis
,
New York
,
2006
).
4.
K. A.
Mauritz
and
R. B.
Moore
,
Chem. Rev.
104
,
4535
4585
(
2004
).
5.
J. R.
Varcoe
and
R. C. T.
Slade
,
Fuel Cells
5
,
187
200
(
2005
).
6.
H.
Zhang
and
P. K.
Shen
,
Chem. Rev.
112
,
2780
2832
(
2012
).
7.
A. A.
Shah
,
K. H.
Luo
,
T. R.
Ralph
, and
F. C.
Walsh
,
Electrochim. Acta
56
,
3731
3757
(
2011
).
8.
K. D.
Kreuer
,
Chem. Mater.
26
,
361
380
(
2014
).
9.
J.
Zhang
,
K.
Sasaki
,
E.
Sutter
, and
R. R.
Adzic
,
Science
315
,
220
222
(
2007
).
10.
J.
Pan
,
C.
Chen
,
L.
Zhuang
, and
J.
Lu
,
Acc. Chem. Res.
45
,
473
481
(
2012
).
11.
J. R.
Varcoe
,
P.
Atanassov
,
D. R.
Dekel
,
A. M.
Herring
,
M. A.
Hickner
,
P. A.
Kohl
,
A. R.
Kucernak
,
W. E.
Mustain
,
K.
Nijmeijer
,
K.
Scott
,
T. W.
Xu
, and
L.
Zhuang
,
Energy Environ. Sci.
7
,
3135
3191
(
2014
).
12.
M. A.
Hickner
,
A. M.
Herring
, and
E. B.
Coughlin
,
J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.
51
,
1727
1735
(
2013
).
13.
P.
Atkins
and
J.
de Paula
,
Atkins’ Physical Chemistry
, 8th ed. (
Oxford University Press
,
2006
).
14.
M.
Chen
,
L. X.
Zheng
,
B.
Santra
,
H. Y.
Ko
,
R. A.
DiStasio
,
M. L.
Klein
,
R.
Car
, and
X. F.
Wu
,
Nat. Chem.
10
,
413
419
(
2018
).
15.
S. F.
Lu
,
J.
Pan
,
A. B.
Huang
,
L.
Zhuang
, and
J. T.
Lu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
20611
20614
(
2008
).
16.
J.
Pan
,
C.
Chen
,
Y.
Li
,
L.
Wang
,
L. S.
Tan
,
G. W.
Li
,
X.
Tang
,
L.
Xiao
,
J. T.
Lu
, and
L.
Zhuang
,
Energy Environ. Sci.
7
,
354
360
(
2014
).
17.
J.
Savage
and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. C
120
,
3176
3186
(
2016
).
18.
S.
Feng
,
J.
Savage
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. C
116
,
19104
19116
(
2012
).
19.
K. D.
Kreuer
and
G.
Portale
,
Adv. Funct. Mater.
23
,
5390
5397
(
2013
).
20.
C. K.
Knox
and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
114
,
3205
3218
(
2010
).
21.
N.
Hadjichristidis
,
S.
Pispas
, and
G.
Floudas
,
Block Copolymers: Synthetic Strategies, Physical Properties, and Applications
(
Wiley
,
New Jersey
,
2003
).
22.
G.
Merle
,
M.
Wessling
, and
K.
Nijmeijer
,
J. Membr. Sci.
377
,
1
35
(
2011
).
23.
Y.
Yang
and
D. M.
Knauss
,
Macromolecules
48
,
4471
4480
(
2015
).
24.
J. A.
Elliott
and
S. J.
Paddison
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
9
,
2602
2618
(
2007
).
25.
K.
Schmidt-Rohr
and
Q.
Chen
,
Nat. Mater.
7
,
75
83
(
2008
).
26.
R.
Jorn
,
J.
Savage
, and
G. A.
Voth
,
Acc. Chem. Res.
45
,
2002
2010
(
2012
).
27.
R.
Devanathan
,
Energy Environ. Sci.
1
,
101
119
(
2008
).
28.
Y.-L. S.
Tse
,
H. N.
Sarode
,
G. E.
Lindberg
,
T. A.
Witten
,
Y.
Yang
,
A. M.
Herring
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. C
118
,
845
853
(
2014
).
29.
Y. L.
Tse
,
G. A.
Voth
, and
T. A.
Witten
,
J. Chem. Phys.
142
,
184905
(
2015
).
30.
K. W.
Han
,
K. H.
Ko
,
K.
Abu-Hakmeh
,
C.
Bae
,
Y. J.
Sohn
, and
S. S.
Jang
,
J. Phys. Chem. C
118
,
12577
12587
(
2014
).
31.
D. C.
Herbst
,
T. A.
Witten
,
T. H.
Tsai
,
E. B.
Coughlin
,
A. M.
Maes
, and
A. M.
Herring
,
J. Chem. Phys.
142
,
114906
(
2015
).
32.
Y.
Chang
,
A. D.
Mohanty
,
S. B.
Smedley
,
K.
Abu-Hakmeh
,
Y. H.
Lee
,
J. E.
Morgan
,
M. A.
Hickner
,
S. S.
Jang
,
C. Y.
Ryu
, and
C.
Bae
,
Macromolecules
48
,
7117
7126
(
2015
).
33.
W.
Zhang
and
A. C. T.
van Duin
,
J. Phys. Chem. C
119
,
27727
27736
(
2015
).
34.
M. E.
Tuckerman
,
D.
Marx
, and
M.
Parrinello
,
Nature
417
,
925
929
(
2002
).
35.
D.
Marx
,
M. E.
Tuckerman
,
J.
Hutter
, and
M.
Parrinello
,
Nature
397
,
601
604
(
1999
).
36.
D.
Munoz-Santiburcio
and
D.
Marx
,
Nat. Commun.
7
,
12625
(
2016
).
37.
M.
Hellstrom
and
J.
Behler
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
3302
3306
(
2016
).
38.
N.
Agmon
,
Chem. Phys. Lett.
244
,
456
462
(
1995
).
39.
C.
Chen
,
Y. L.
Tse
,
G. E.
Lindberg
,
C.
Knight
, and
G. A.
Voth
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
991
1000
(
2016
).
40.
Y. L.
Tse
,
C.
Chen
,
G. E.
Lindberg
,
R.
Kumar
, and
G. A.
Voth
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
12610
12616
(
2015
).
41.
K.
Park
,
W.
Lin
, and
F.
Paesani
,
J. Phys. Chem. B
116
,
343
352
(
2012
).
42.
J.
Wang
,
R. M.
Wolf
,
J. W.
Caldwell
,
P. A.
Kollman
, and
D. A.
Case
,
J. Comput. Chem.
25
,
1157
1174
(
2004
).
43.
C. I.
Bayly
,
P.
Cieplak
,
W.
Cornell
, and
P. A.
Kollman
,
J. Phys. Chem.
97
,
10269
10280
(
1993
).
44.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2009
.
45.
F.-Y.
Dupradeau
,
A.
Pigache
,
T.
Zaffran
,
C.
Savineau
,
R.
Lelong
,
N.
Grivel
,
D.
Lelong
,
W.
Rosanski
, and
P.
Cieplak
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
7821
7839
(
2010
).
46.
E.
Vanquelef
,
S.
Simon
,
G.
Marquant
,
E.
Garcia
,
G.
Klimerak
,
J. C.
Delepine
,
P.
Cieplak
, and
F.-Y.
Dupradeau
,
Nucleic Acids Res.
39
,
W511
W517
(
2011
).
47.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
19
(
1995
).
48.
F.
Wang
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
122
,
144105
(
2005
).
49.
R. W.
Hockney
and
K. W.
Eastwood
,
Computer Simulation Using Particles
(
Adam Hilger
,
New York
,
1989
).
50.
U. W.
Schmitt
and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
102
,
5547
5551
(
1998
).
51.
U. W.
Schmitt
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
111
,
9361
9381
(
1999
).
52.
C.
Knight
,
G. E.
Lindberg
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
137
,
22A525
(
2012
).
53.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
38
(
1996
).
54.
C.
Wohlfarth
,
Handbook of Phase Equilibria and Thermodynamic Data of Aqueous Polymer Solutions
(
Taylor & Francis
,
Boca Raton, FL
,
2013
).
55.
J.
Savage
,
Y. L. S.
Tse
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. C
118
,
17436
17445
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.