ПРОТОН АЛМАСҚЫШ МЕМБРАНАЛАР ОРТАСЫ ҮШІН ПОЛИСУЛЬФОБЕТАИННІҢ ГИДРОКСОНИЙ ИОНДАРЫМЕН ӘРЕКЕТТЕСУІН АТОМАРЛЫҚ ДЕҢГЕЙДЕ МОДЕЛЬДЕУ

Иондық өткізгіштігі нашар және жұмыс жағдайында химиялық тұрақтылығы жеткіліксіз протон алмасу мембраналарының (ПАМ) кемшіліктері отын ұяшығы технологиясының дамуына айтарлықтай кедергі келтіреді. Зерттеулер осы мәселелерді шешу үшін жақсартылған протон тасымалы және күшті молекулалық құрылымы бар инновациялық полимерлік материалдарды жасауға бағытталған. Бұл жұмыста цвиттериондық полимер болып табылатын полисульфобетаинді (ПСБ) келесі буын ПАМ үшін тиімді нұсқа ретінде пайдалану ұсынылады. Себебі оның құрылымдық тұтастығын сақтай отырып, гидрофильді протон өткізгіш арналарды қалыптастыру қабілеті бар. Біз атомдық шкаладағы ашық су еріткіш ортасында гидроний ионы (H₃O⁺) мен полисульфобетаин мономері арасындағы негізгі өзара әрекеттесуді зерттеу үшін тығыздық функционалдық теориясын (ТФТ) модельдеуді қолдандық. ТФТ-оңтайландырылған құрылымды зерттеуге сәйкес, гидроний ионы мен бетаин блогының теріс зарядталған сульфонат тобы күшті электростатикалық байланыс көрсетеді. Мулликен зарядының таралуы мен байланыс ұзындығын зерттеу кешен түзілу кезіндегі айтарлықтай заряд алмасуы мен поляризациясын растайды. Протон тасымалдаушысының тиімді байланыс орындары молекулалық электростатикалық потенциал (МЭП) карталарымен графикалық түрде көрсетілген. Сонымен қатар, HOMO-LUMO орбитальдарын және олардың энергия алшақтығын талдау жүйенің электрлік құрылымының тұрақтылығы мен реактивтілігіне жарық түсіреді. Бұл зерттеулер полисульфобетаиннің молекулалық құрылымы гидроний иондарын тиімді үйлестіре және тұрақтандыра алатындығының негізгі кванттық-химиялық дәлелі. Бұл протон секіру (Grotthuss) механизмдерін ілгерілету және жалпы мембрана өнімділігін арттыру үшін маңызды қадам болып табылады.

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.