АТОМИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ИОНОВ ГИДРОКСОНИЯ С ПОЛИСУЛЬФОБЕТАИНОМ ДЛЯ СРЕД ПРОТОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН

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.

1. Дежаткин М. Е. и др. Износ элементов системы топливной аппаратуры //Теоретические и практические аспекты развития современной науки. – 2015. – С. 1618.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Урусов В. С., Еремин Н. Н. Атомистическое моделирование структуры и свойств твердых растворов замещения //Минералы: строение, свойства, методы исследования. – 2009. – №. 1. – С. 10-12.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.