본 연구에서는 고분자 전해질막을 구성하고 있는 고분자 주쇄의 반복단위 개수를 변경해 가며 수화채널 모폴로지와 이온전도도의 변화를 비교하였고, 최종적으로 분자동역학 전산모사 수행 시에 적정한 고분자 모델을 선정하기 위한 기준을 제시하고자 하였다. 고분자 주쇄의 길이가 가장 짧은 모델에서 주쇄 및 술폰산기의 움직임이 커지는 것을 관찰할 수 있었지만, 수화채널 모폴로지는 특별한 상관관계를 발견할 수 없었다. 또한, 수화채널 모폴로지에 가장 큰 영향을 받는 수소이온 전달 능력의 특성 상, 수소이온 전도도에서도 고분자 주쇄의 길이와 큰 상관관계를 보이지는 않았다. 이러한 결과는 특히 바인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공한다. 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다. 결론적으로, 바인더용 이오노머 제조시에는 수소이온 전달 성능보다는 물성에 좀 더 초점을 맞추어 분자량 및 구조 설계가 필요할 것이다.
본 연구에서는 고분자 전해질막을 구성하고 있는 고분자 주쇄의 반복단위 개수를 변경해 가며 수화채널 모폴로지와 이온전도도의 변화를 비교하였고, 최종적으로 분자동역학 전산모사 수행 시에 적정한 고분자 모델을 선정하기 위한 기준을 제시하고자 하였다. 고분자 주쇄의 길이가 가장 짧은 모델에서 주쇄 및 술폰산기의 움직임이 커지는 것을 관찰할 수 있었지만, 수화채널 모폴로지는 특별한 상관관계를 발견할 수 없었다. 또한, 수화채널 모폴로지에 가장 큰 영향을 받는 수소이온 전달 능력의 특성 상, 수소이온 전도도에서도 고분자 주쇄의 길이와 큰 상관관계를 보이지는 않았다. 이러한 결과는 특히 바인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공한다. 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다. 결론적으로, 바인더용 이오노머 제조시에는 수소이온 전달 성능보다는 물성에 좀 더 초점을 맞추어 분자량 및 구조 설계가 필요할 것이다.
The purpose of this study was to compare the water channel morphology and the proton conductivity by changing the number of repeating units of the polymer backbone of PEMs, and to present a criterion for selecting an appropriate polymer model for MD simulation. In the model with the shortest polymer...
The purpose of this study was to compare the water channel morphology and the proton conductivity by changing the number of repeating units of the polymer backbone of PEMs, and to present a criterion for selecting an appropriate polymer model for MD simulation. In the model with the shortest polymer main chain, the movement of the main chain and the sulfonic acid group was observed to be large, but no change in the water channel morphology was found. In addition, due to the nature of the proton transport ability that is most affected by the water channel morphology, the proton conductivity did not show a significant correlation with the length of the polymer backbone. These results provide important information, particularly for the preparation of ionomers for binders. In general, a low molecular weight polymer electrolyte material is used for a binder ionomer. Since the movement of the main chain/sulfonic acid group is improved, it can play a role of enclosing the catalyst layer well. However, there is no change in its proton conducting performance. In conclusion, the preparation of ionomers for binders will require molecular weight and structure design with a focus on physical properties rather than proton transfer performance.
The purpose of this study was to compare the water channel morphology and the proton conductivity by changing the number of repeating units of the polymer backbone of PEMs, and to present a criterion for selecting an appropriate polymer model for MD simulation. In the model with the shortest polymer main chain, the movement of the main chain and the sulfonic acid group was observed to be large, but no change in the water channel morphology was found. In addition, due to the nature of the proton transport ability that is most affected by the water channel morphology, the proton conductivity did not show a significant correlation with the length of the polymer backbone. These results provide important information, particularly for the preparation of ionomers for binders. In general, a low molecular weight polymer electrolyte material is used for a binder ionomer. Since the movement of the main chain/sulfonic acid group is improved, it can play a role of enclosing the catalyst layer well. However, there is no change in its proton conducting performance. In conclusion, the preparation of ionomers for binders will require molecular weight and structure design with a focus on physical properties rather than proton transfer performance.
본 연구에서는 고분자 전해질막을 구성하고 있는 고분자 주쇄의 반복단위 개수를 변경해 가며 분자동역학 전산모사를 진행하여, 이에 따른 수화채널 모폴로지와이온전도도의 변화를 비교하였다. 이를 통하여 고분자주쇄의 길이가 고분자 전해질막의 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였으며, 최종적으로 분자동역학 전산모사 수행 시에 적정한 고분자 모델을 선정하기 위한 기준을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 고분자 전해질막을 구성하고 있는 고분자 주쇄의 반복단위 개수를 변경해 가며 분자동역학 전산모사를 진행하여, 이에 따른 수화채널 모폴로지와이온전도도의 변화를 비교하였다. 이를 통하여 고분자주쇄의 길이가 고분자 전해질막의 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였으며, 최종적으로 분자동역학 전산모사 수행 시에 적정한 고분자 모델을 선정하기 위한 기준을 제시하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서 고분자 주쇄 길이에 따른 H3O+ 수소이온 투과 거동을 분석하기 위하여, 나피온Ⓡ 고분자 주쇄를 단계적으로 절반씩 잘라 가면서 10개의 반복단위를 갖는 두 개의 고분자 주쇄로 이루어진 모델과 5개의 반복단위로 이루어진 네 개의 고분자 주쇄로 이루어진 3D 나피온Ⓡ 고분자 전해질막 모델을 생성하였다. 이러한 모델들을 바탕으로 수화채널 모폴로지 변화, 고분자주쇄 및 술폰산기의 움직임, 그리고 수소이온의 고분자전해질막 전달 형태인 H3O+ 이온의 전달 특성을 분자 동역한 전산모사를 이용하여 분석하였다.
고분자 전해질막 모델을 생성하였다. 이러한 모델들을 바탕으로 수화채널 모폴로지 변화, 고분자주쇄 및 술폰산기의 움직임, 그리고 수소이온의 고분자전해질막 전달 형태인 H3O+ 이온의 전달 특성을 분자 동역한 전산모사를 이용하여 분석하였다. 수화채널 모폴로지의 경우 고분자 주쇄 길이와 특별한 상관관계를 발견할 수 없었지만, 고분자 모델의 주쇄 및 술폰산기의 움직임은 가장 주쇄 길이가 짧은 5개의 반복단위를 갖는 고분자 주쇄로 이루어진 모델에서 가장 높은 것으로 나타났다.
대상 데이터
이때, 고분자 전해질막 대표 모델로는 나피온Ⓡ 구조를 사용하였으며, 다양한 파라미터 변화에 따른 결과들을 서로 비교할 수 있도록, 기존 선행 연구[12,13]에서 사용하였던 모델 구조를 초기 모델로 사용하여 전산모사를 진행하였다. 본 연구에서 사용된 나피온Ⓡ 모델은 20개의 반복단위로 이루어진 고분자 주쇄를 가지고 있으며, 온도 조건은 각각 298, 313, 333, 353K 조건에서 periodic boundary condition의 3D packing 고분자 모델 구조를 갖고 있다. 추가로 주쇄 길이에 따른 효과를 관찰하기 위하여, 짧은 반복단위 개수를 갖는 고분자 주쇄 모델을 제작하였다.
, USA)를사용하여 전산모사를 수행하였다. 이때, 고분자 전해질막 대표 모델로는 나피온Ⓡ 구조를 사용하였으며, 다양한 파라미터 변화에 따른 결과들을 서로 비교할 수 있도록, 기존 선행 연구[12,13]에서 사용하였던 모델 구조를 초기 모델로 사용하여 전산모사를 진행하였다. 본 연구에서 사용된 나피온Ⓡ 모델은 20개의 반복단위로 이루어진 고분자 주쇄를 가지고 있으며, 온도 조건은 각각 298, 313, 333, 353K 조건에서 periodic boundary condition의 3D packing 고분자 모델 구조를 갖고 있다.
이론/모형
고분자 전해질막 모델 제작을 위하여 Materials Studio Package (Dassault Systemes, BIOVIA Corp., USA)를사용하여 전산모사를 수행하였다. 이때, 고분자 전해질막 대표 모델로는 나피온Ⓡ 구조를 사용하였으며, 다양한 파라미터 변화에 따른 결과들을 서로 비교할 수 있도록, 기존 선행 연구[12,13]에서 사용하였던 모델 구조를 초기 모델로 사용하여 전산모사를 진행하였다.
성능/효과
이러한 모델들을 바탕으로 수화채널 모폴로지 변화, 고분자주쇄 및 술폰산기의 움직임, 그리고 수소이온의 고분자전해질막 전달 형태인 H3O+ 이온의 전달 특성을 분자 동역한 전산모사를 이용하여 분석하였다. 수화채널 모폴로지의 경우 고분자 주쇄 길이와 특별한 상관관계를 발견할 수 없었지만, 고분자 모델의 주쇄 및 술폰산기의 움직임은 가장 주쇄 길이가 짧은 5개의 반복단위를 갖는 고분자 주쇄로 이루어진 모델에서 가장 높은 것으로 나타났다. 다만, 그 경향이 명확하게 나타나는 것은 아니었는데, 특히, 나피온Ⓡ 모델에 있어서 고분자 주쇄의 반복단위 개수가 10개이냐 20개이냐는 크게 중요한 영향을 미치지 않았다.
최종적으로 수소이온 전달 능력의 변화를 살펴보았을 때, 고분자 주쇄의 길이와 큰 상관관계를 가지고 있지 않은 것으로 판단되어지며, 그보다 수화채널 모폴로지의 영향이 제일 크다는 것으로 결론을 지을 수 있었다. 이러한 결과는 특히 바인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공하는데, 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다. 결론적으로, 바인더용 이오노머 제조 시에는 수소이온 전달 성능 보다는 물성에 좀 더 초점을 맞추어 분자량 및 구조 설계가 필요할 것이다.
다만, 그 경향이 명확하게 나타나는 것은 아니었는데, 특히, 나피온Ⓡ 모델에 있어서 고분자 주쇄의 반복단위 개수가 10개이냐 20개이냐는 크게 중요한 영향을 미치지 않았다. 최종적으로 수소이온 전달 능력의 변화를 살펴보았을 때, 고분자 주쇄의 길이와 큰 상관관계를 가지고 있지 않은 것으로 판단되어지며, 그보다 수화채널 모폴로지의 영향이 제일 크다는 것으로 결론을 지을 수 있었다. 이러한 결과는 특히 바인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공하는데, 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다.
후속연구
이러한 결과는 특히 바인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공하는데, 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다. 결론적으로, 바인더용 이오노머 제조 시에는 수소이온 전달 성능 보다는 물성에 좀 더 초점을 맞추어 분자량 및 구조 설계가 필요할 것이다.
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