nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2026-2-29-36nuc-990Research ArticleСтатьиАТОМИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ИОНОВ ГИДРОКСОНИЯ С ПОЛИСУЛЬФОБЕТАИНОМ ДЛЯ СРЕД ПРОТОНООБМЕННЫХ МЕМБРАНATOMISTIC SIMULATION OF HYDRONIUM ION INTERACTIONS WITH POLYSULFOBETAINE: INSIGHTS FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE ENVIRONMENTSТемирбаеваА. А.TemirbaevaA. A.

Астана

Astana

https://orcid.org/0000-0003-2453-1028КабдрахимоваГ. Д.KabdrakhimovaG. D.

Гаухар Даниловна Кабдрахимова

Астана

Astana

kabdrakhimova_gd@enu.kzАбуоваГ. У.AbuovaG. U.

г. Тараз

Taraz

АбуоваФ. У.AbuovaF. U.

Астана

Astana

УсенЕ. Б.UsenE. B.

Астана

Astana

Евразийский национальный университет имени Л. Н. ГумилеваКазахстанL. N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanСредняя школа №42КазахстанSecondary school №42Kazakhstan202609082026022936Copyright © Темирбаева А.А., Кабдрахимова Г.Д., Абуова Г.У., Абуова Ф.У., Усен Е.Б., 20262026Темирбаева А.А., Кабдрахимова Г.Д., Абуова Г.У., Абуова Ф.У., Усен Е.Б.Temirbaeva A.A., Kabdrakhimova G.D., Abuova G.U., Abuova F.U., Usen E.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/990

Существующие недостатки протонно-обменных мембран (ПОМ), которые часто обладают низкой ионной проводимостью и недостаточной химической стабильностью в рабочих условиях, серьезно препятствуют развитию технологии топливных элементов. Исследования сосредоточены на создании инновационных полимерных материалов с улучшенным переносом протонов и прочными молекулярными каркасами для решения этих проблем. В данной работе предлагается использовать полисульфобетаин (ПСБ), цвиттерионный полимер, в качестве жизнеспособного варианта для ПОМ следующего поколения благодаря его способности образовывать гидрофильные протонпроводящие каналы, сохраняя при этом структурную целостность. Мы использовали моделирование методом теории функционала плотности (ТФП) для изучения фундаментальных взаимодействий между ионом гидроксония (H₃O⁺) и мономером полисульфобетаина в явной водной среде на атомном уровне. Согласно исследованию оптимизированной методом ТФП структуры, ион гидроксония и отрицательно заряженная сульфонатная группа бетаинового звена демонстрируют сильный электростатический контакт. Значительный перенос заряда и поляризация при комплексообразовании подтверждаются исследованиями распределения заряда по Малликену и длин связей. Выгодные места связывания для переносчика протонов графически представлены картами молекулярного электростатического потенциала (МЭП). Кроме того, анализ орбиталей HOMO-LUMO и их энергетического зазора позволяет оценить стабильность электрической структуры и реакционную способность системы. Эти результаты предоставляют фундаментальное квантово-химическое доказательство того, что молекулярная структура полисульфобетаина может эффективно координировать и стабилизировать ионы гидроксония, что является важным шагом для развития механизмов переноса протонов (Гроттуса) и повышения общей эффективности мембран.

The ongoing shortcomings of existing proton exchange membranes (PEMs), which frequently have poor ionic conductivity and insufficient chemical stability under operating circumstances, seriously impede the development of fuel cell technology. Research has concentrated on creating innovative polymeric materials with improved proton transport and strong molecular frameworks in order to address these issues. The use of polysulfobetaine (PSB), a zwitterionic polymer, is suggested in this work as a viable option for next-generation PEMs because of its capacity to form hydrophilic proton-conducting channels while preserving structural integrity. We used Density Functional Theory (DFT) simulations to study the fundamental interactions between a hydronium ion (H₃O⁺) and a polysulfobetaine monomer in an explicit water solvent environment at the atomistic scale. According to the study of the DFT-optimized structure, the hydronium ion and the negatively charged sulfonate group of the betaine unit exhibit strong electrostatic interaction. Significant charge transfer and polarization upon complexation are confirmed by Mulliken charge distribution and bond length studies. The advantageous binding locations for the proton carrier are graphically represented by molecular electrostatic potential (MEP) maps. Additionally, analysis of the HOMO-LUMO orbitals and their energy gap provides insight into the system’s electronic structure stability and reactivity. These findings provide fundamental quantum-chemical evidence that the molecular structure of polysulfobetaine can efficiently coordinate and stabilize hydronium ions, an essential step for promoting proton-hopping (Grotthuss) mechanisms and enhancing membrane performance in general.

полисульфобетаинион гидроксонияпротонообменная мембранатеория функционала плотностиквантово-химические свойстваpolysulfobetainehydronium ionproton exchange membranedensity functional theoryquantum chemical propertiesReferencesДежаткин М. Е. и др. Износ элементов системы топливной аппаратуры //Теоретические и практические аспекты развития современной науки. – 2015. – С. 1618.Дежаткин М. Е. и др. Износ элементов системы топливной аппаратуры //Теоретические и практические аспекты развития современной науки. – 2015. – С. 1618.Ye X. et al. Cucurbit [6] uril-Driven Supramolecular Enhancement of OPBI Membranes for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells //Journal of Membrane Science. – 2025. – С. 124847.Ye X. et al. Cucurbit [6] uril-Driven Supramolecular Enhancement of OPBI Membranes for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells //Journal of Membrane Science. – 2025. – С. 124847.Hu C. et al. NiP2 as an efficient non-noble metal cathode catalyst for enhanced hydrogen isotope separation in proton exchange membrane water electrolysis //Separation and Purification Technology. – 2025. – Т. 352. – С. 128249.Hu C. et al. NiP2 as an efficient non-noble metal cathode catalyst for enhanced hydrogen isotope separation in proton exchange membrane water electrolysis //Separation and Purification Technology. – 2025. – Т. 352. – С. 128249.Li N. et al. Dual‐Functional Sulfonated Nanocellulose for Proton Exchange Membranes With High Proton Conductivity at Low Humidity //Energy & Environmental Materials. – 2026. – С. e70298.Li N. et al. Dual‐Functional Sulfonated Nanocellulose for Proton Exchange Membranes With High Proton Conductivity at Low Humidity //Energy & Environmental Materials. – 2026. – С. e70298.Liu B. et al. The proton exchange membrane with a nanosilica-phosphate-quaternary ammonium type proton transport structure for cross-temperature range applications //Journal of Membrane Science. – 2025. – Т. 724. – С. 123991.Liu B. et al. The proton exchange membrane with a nanosilica-phosphate-quaternary ammonium type proton transport structure for cross-temperature range applications //Journal of Membrane Science. – 2025. – Т. 724. – С. 123991.Мажукин В. И. и др. Модификация кинетической модели Вильсона–Френкеля и атомистическое моделирование скорости плавления/кристаллизации металлов //Математическое моделирование. – 2023. – Т. 35. – №. 11. – С. 103-121.Мажукин В. И. и др. Модификация кинетической модели Вильсона–Френкеля и атомистическое моделирование скорости плавления/кристаллизации металлов //Математическое моделирование. – 2023. – Т. 35. – №. 11. – С. 103-121.Zhang S., Cheng X., Wang L. Morphology and proton transport in sulfonated poly (ether ether ketone) membranes: a molecular dynamics and DFT study //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2026.Zhang S., Cheng X., Wang L. Morphology and proton transport in sulfonated poly (ether ether ketone) membranes: a molecular dynamics and DFT study //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2026.Rana V. A. et al. Ionically crosslinked alginate/PVA hydrogel as proton exchange membrane: synthesis, ionic conductivity, and DFT modelling //Chemistry Africa. – 2026. – Т. 9. – №. 2. – С. 91.Rana V. A. et al. Ionically crosslinked alginate/PVA hydrogel as proton exchange membrane: synthesis, ionic conductivity, and DFT modelling //Chemistry Africa. – 2026. – Т. 9. – №. 2. – С. 91.Павлишин К. Ю. и др. Атомистическое моделирование работы элементов энергонезависимой памяти на основе технологии FeRAM //Материалы VII международной конференции «Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов». – 2025. – С. 147-150.Павлишин К. Ю. и др. Атомистическое моделирование работы элементов энергонезависимой памяти на основе технологии FeRAM //Материалы VII международной конференции «Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов». – 2025. – С. 147-150.Урусов В. С., Еремин Н. Н. Атомистическое моделирование структуры и свойств твердых растворов замещения //Минералы: строение, свойства, методы исследования. – 2009. – №. 1. – С. 10-12.Урусов В. С., Еремин Н. Н. Атомистическое моделирование структуры и свойств твердых растворов замещения //Минералы: строение, свойства, методы исследования. – 2009. – №. 1. – С. 10-12.Rimon S. T. A., Mourshed M., Kibria M. G. Proton exchange membrane fuel cells: advances in materials development, performance optimization, and future outlook //Energy Conversion and Management: X. – 2025. – Т. 27. – С. 101-102.Rimon S. T. A., Mourshed M., Kibria M. G. Proton exchange membrane fuel cells: advances in materials development, performance optimization, and future outlook //Energy Conversion and Management: X. – 2025. – Т. 27. – С. 101-102.Kabdrakhimova G. et al. Atomistic insight into molecular structure and hydronium ion transport in proton exchange membranes of hydrogen fuel cells: effect of solvent hydrophobicity //Open Engineering. – 2026. – Т. 16. – №. 1. – С. 20250160.Kabdrakhimova G. et al. Atomistic insight into molecular structure and hydronium ion transport in proton exchange membranes of hydrogen fuel cells: effect of solvent hydrophobicity //Open Engineering. – 2026. – Т. 16. – №. 1. – С. 20250160.Nurmanova S. et al. Atomistic insights into intermolecular formation of deep eutectic solvents and poly (acrylate) matrix and its application for the enhancing hydronium ion dynamics in proton-exchange membranes of fuel cells // Ionics. – 2024. – Т. 30. – №. 10. – С. 6293-6304.Nurmanova S. et al. Atomistic insights into intermolecular formation of deep eutectic solvents and poly (acrylate) matrix and its application for the enhancing hydronium ion dynamics in proton-exchange membranes of fuel cells // Ionics. – 2024. – Т. 30. – №. 10. – С. 6293-6304.Aimaganbetov K., Ospanov K., Almas N. Mobility of hydronium ion for graphene oxide–and poly (acrylate)-based proton exchange membranes at the molecular level //Ionics. – 2023. – Т. 29. – №. 12. – С. 5405-5415.Aimaganbetov K., Ospanov K., Almas N. Mobility of hydronium ion for graphene oxide–and poly (acrylate)-based proton exchange membranes at the molecular level //Ionics. – 2023. – Т. 29. – №. 12. – С. 5405-5415.Aimaganbetov K., Ospanov K., Almas N. A molecular insight into formation of deep eutectic solvents and their application for the enhancement of proton transportation via graphene oxide-based proton exchange membranes // Bulletin of Materials Science. – 2023. – Т. 46. – №. 4. – С. 194.Aimaganbetov K., Ospanov K., Almas N. A molecular insight into formation of deep eutectic solvents and their application for the enhancement of proton transportation via graphene oxide-based proton exchange membranes // Bulletin of Materials Science. – 2023. – Т. 46. – №. 4. – С. 194.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.