Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (5), 716–725
Ionic channel structure in perfluorinated membranes studied by small angle X-ray scattering, optical and Mössbauer spectroscopy
Vasily T. Lebedev – Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of National Research Center “Kurchatov Institute”, Gatchina, Russia; lebedev_vt@pnpi.nrcki.ru
Valery S. Kozlov – Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of National Research Center “Kurchatov Institute”, Gatchina, Russia; kozlov_vs1@pnpi.nrcki.ru
Mikhail V. Remizov – Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of National Research Center “Kurchatov Institute”, Gatchina, Russia; m.remizov97@gmail.com
Yury V. Kulvelis – Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of National Research Center “Kurchatov Institute”, Gatchina, Russia; kulvelis_yv@pnpi.nrcki.ru
Oleg N. Primachenko – Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia; alex-prima@mail.ru
Elena A. Marinenko – Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia; emarinenkospb@gmail.com
Georgy S. Peters – National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia; georgspeters@gmail.com
Corresponding author: Vasily T. Lebedev, lebedev_vt@pnpi.nrcki.ru
PACS 81.07.Nb, 82.35.Rs
DOI 10.17586/2220-8054-2024-15-5-716-725
ABSTRACT Small angle X-ray scattering optical and Mössbauer spectroscopy has been used to study ionic channels in perfluorinated Nafion®-type membranes. X-ray scattering data have revealed the ordering of ionic groups of polymer chains at nanoscales into extended fine channels for proton conductivity. Then the membranes were saturated with Fe3+ ions to probe their interaction with sulfonic groups. This remarkably changed electron properties of copolymer in which the energy of optical gap has decreased. The Mössbauer spectra have confirmed that even at ambient temperature in membrane, Fe3+ ions are assembled into antiferromagnetic dimers with water shells and associated with sulfonic groups at the channel surfaces. The applied complementary methods allowed us to examine a short-range order of ionic groups forming a network of channels in membranes that provide their functional properties in hydrogen fuel cells.
KEYWORDS ion, channel, membrane, structure, gamma-spectroscopy
ACKNOWLEDGEMENTS The work was supported by the Russian Science Foundation under Grant No. 23-23-00129. The authors thank Professor V. G. Semenov for methodological help, Engineers I. N. Ivanova, L. I. Lisovskaya for technical assistance.
FOR CITATION Lebedev V.T., Kozlov V.S., Remizov M.V., Kulvelis Yu.V., Primachenko O.N., Marinenko E.A., Peters G.S. Ionic channel structure in perfluorinated membranes studied by small angle X-ray scattering, optical and Mössbauer spectroscopy. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (5), 716–725.
[In Russian] Лебедев В.Т., Козлов В.С., Ремизов М.В., Кулвелис Ю.В., Примаченко О.Н., Мариненко Е.А., Петерс Г.С.
Структура ионных каналов в перфторированных мембранах, исследованная методами малоуглового рентгеновского рассеяния, оптической и мессбауэровской спектроскопии
УДК 541.124:542.952.6:544.6.018.47_036.5
АННОТАЦИЯ Методом малоуглового рентгеновского рассеяния, оптической и мессбауэровской спектроскопией исследованы ионные каналы в перфторированных мембранах типа Нафион®. Данные рентгеновского рассеяния выявили упорядочение ионных групп полимерных цепей на наномасштабах в протяженные тонкие каналы протонной проводимости. Затем мембраны насыщались ионами Fe3+ для исследования их взаимодействия с сульфоновыми группами. Это заметно изменило электронные свойства сополимера, у которого уменьшилась энергия оптической щели. Мессбауэровские спектры подтвердили, что даже при комнатной температуре в мембране ионы Fe3+ организуются в антиферромагнитные димеры с водными оболочками и связываются с сульфоновыми группами на поверхности каналов. Примененные комплементарные методы позволили изучить ближний порядок ионных групп, образующих сеть каналов в мембранах, обеспечивающих их функциональные свойства в водородных топливных ячейках.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА ион, канал, мембрана, структура, гамма-спектроскопия
