Tuning anhydrous proton conduction in single-ion polymers by crystalline ion channels

Onnuri Kim, Kyoungwook Kim, U. Hyeok Choi, Moon Jeong Park*

 

최근 들어 polarization loss를 일으키지 않는 고전도성 고분자 전해질의 개발의 중요성이 부각되고 있다. 이에 본 연구진은 음이온은 전도되지 않는 단일이온전도성 고분자의 수소이온전도도를 결정성 이온채널 형성을 통해 크게 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 양쪽성 이온과 수소전도성 고분자 사슬의 자기조립으로 인해, 근접한 수소이온 주개와 받개 사이의 거리를 정밀하게 제어할 수 있었으며, 나노미터 크기의 이온성 도메인 안에 쌍극자의 배열을 정밀하게 제어함으로써, 물의 유전상수에 육박하는 78이라는 매우 높은 유전상수를 보이는 고분자 전해질을 합성할 수 있었다. 일반적인 고분자 전해질의 유전상수가 5라는 사실을 감안할 때 본 연구진의 개발이 매우 획기적이며, 높은 이온해리도를 보이는 고분자 전해질이 탄생하였음을 예측할 수 있었다. 결과적으로, 무수환경 및 90도 이상의 고온에서 매우 높은 수소전도도 및 낮은 수소이온전도 에너지 장벽을 구현할 수 있었다. 본 연구결과는 2018년 11월 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었으며, Editor’s Highlights에 선정되었다.

 

The synthesis of high-conductivity solid-state electrolyte materials with eliminated polarization loss is a great challenge. Here we show a promising potential of single-ion block copolymers with crystalline protogenic channels as efficient proton conductors. Through the self-organization of zwitterion, imidazole, and polystyrene sulfonate with controlled dipolar interactions therein, the distance between neighboring proton donors and acceptors in ionic crystals, as well as the dipolar orientation in nanoscale ionic phases was precisely tuned. This allowed a markedly high static dielectric constant comparable to water and fast structural diffusion of protons with a low potential barrier for single-ion polymers. The optimized sample exhibited a high proton diffusion coefficient of 2.4 × 10^–6cm²s^–1 under anhydrous conditions at 90 °C.

 

Nature Communications volume 9, Article number: 5029 (2018)

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07503-4