nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн туршлагыг авахын тулд бид хөтчийн хамгийн сүүлийн хувилбарыг ашиглахыг (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах) зөвлөж байна. Нэмж дурдахад, тасралтгүй дэмжлэг үзүүлэхийн тулд энэ сайтад хэв маяг эсвэл JavaScript агуулаагүй болно.
Натрийн элбэг дэлбэг нөөцтэй тул натрийн ион батерей (NIB) нь электрохимийн энерги хадгалах ирээдүйтэй хувилбар шийдэл юм. Одоогийн байдлаар NIB технологийн хөгжилд тулгарч буй гол саад бэрхшээл бол натрийн ионыг удаан хугацаанд буцаад хадгалах/ялгаруулах боломжтой электродын материалын хомсдол юм. Тиймээс энэхүү судалгааны зорилго нь NIB электродын материал болох поливинил спирт (PVA) болон натрийн альгинат (NaAlg) хольцод глицеролын нэмэлт нөлөөг онолын хувьд судлах явдал юм. Энэхүү судалгаа нь PVA, натрийн альгинат, глицеролын хольц дээр суурилсан полимер электролитийн электрон, дулааны болон тоон бүтэц-идэвхжлийн хамаарлын (QSAR) тодорхойлогчдод чиглэгддэг. Эдгээр шинж чанаруудыг хагас эмпирик арга болон нягтралын функциональ онол (DFT) ашиглан судалсан. Бүтцийн шинжилгээгээр PVA/альгинат ба глицеролын харилцан үйлчлэлийн нарийн ширийн зүйлийг илчилсэн тул зурвасын завсарын энерги (Eg)-ийг судалсан. Үр дүнгээс харахад глицеролыг нэмэхэд Eg утга 0.2814 эВ хүртэл буурдаг. Молекулын электростатик потенциалын гадаргуу (MESP) нь электролитийн системийн бүхэлдээ электроноор баялаг болон электроноор ядуу бүс нутаг болон молекулын цэнэгийн тархалтыг харуулж байна. Судалгаанд хамрагдсан дулааны параметрүүдэд энтальпи (H), энтропи (ΔS), дулааны багтаамж (Cp), Гиббсийн чөлөөт энерги (G) болон үүсэх дулаан орно. Үүнээс гадна, энэхүү судалгаанд нийт диполын момент (TDM), нийт энерги (E), иончлолын потенциал (IP), Log P болон туйлшрал зэрэг хэд хэдэн тоон бүтэц-идэвхжлийн хамаарлын (QSAR) тодорхойлогчдыг судалсан. Үр дүнгээс харахад H, ΔS, Cp, G болон TDM нь температур болон глицеролын агууламж нэмэгдэхийн хэрээр нэмэгдсэн байна. Үүний зэрэгцээ үүсэх дулаан, IP болон E буурсан нь урвалд орох чадвар болон туйлшралт сайжирсан. Үүнээс гадна, глицеролыг нэмснээр эсийн хүчдэл 2.488 В хүртэл нэмэгдсэн. Өртөг багатай PVA/Na Alg глицеролд суурилсан электролитууд дээр үндэслэсэн DFT болон PM6 тооцоолол нь олон үйлдэлт байдлаасаа шалтгаалан лити-ион батерейг хэсэгчлэн орлож болохыг харуулж байгаа боловч цаашид сайжруулалт, судалгаа хийх шаардлагатай байна.
Лити-ион батерей (LIB) өргөн хэрэглэгддэг боловч богино хугацааны ашиглалтын хугацаа, өндөр өртөг, аюулгүй байдлын асуудлаас шалтгаалан тэдгээрийн хэрэглээ олон хязгаарлалттай тулгардаг. Натрийн ион батерей (SIB) нь өргөн хэрэглээ, хямд өртөг, натрийн элементийн хоргүй байдлаас шалтгаалан LIB-ийн боломжит хувилбар болж магадгүй юм. Натрийн ион батерей (SIB) нь электрохимийн төхөөрөмжүүдийн хувьд улам бүр чухал эрчим хүч хадгалах систем болж байна1. Натрийн ион батерей нь ионы тээвэрлэлтийг хөнгөвчлөх, цахилгаан гүйдэл үүсгэхийн тулд электролитоос ихээхэн хамаардаг2,3. Шингэн электролитууд нь голчлон металл давс болон органик уусгагчаас бүрддэг. Практик хэрэглээ нь шингэн электролитийн аюулгүй байдлыг, ялангуяа батерей нь дулааны эсвэл цахилгаан стрессд өртөх үед сайтар авч үзэхийг шаарддаг4.
Натрийн ион батерей (SIB) нь далайн нөөц ихтэй, хоргүй, материалын өртөг багатай тул ойрын ирээдүйд лити-ион батерейг орлох төлөвтэй байна. Наноматериалын нийлэгжилт нь өгөгдөл хадгалах, электрон болон оптик төхөөрөмжийн хөгжлийг хурдасгасан. Натрийн ион батерейд янз бүрийн нано бүтцийг (жишээлбэл, металл исэл, графен, нано хоолой, фуллерен) хэрэглэхийг харуулсан олон тооны уран зохиол байдаг. Судалгаа нь олон талт байдал, байгаль орчинд ээлтэй байдлаас шалтгаалан натрийн ион батерейны анод материал, түүний дотор полимерийг хөгжүүлэхэд чиглэгдсэн. Цэнэглэдэг полимер батерейны салбарын судалгааны сонирхол эргэлзээгүй нэмэгдэх болно. Өвөрмөц бүтэц, шинж чанартай шинэ полимер электрод материалууд нь байгаль орчинд ээлтэй эрчим хүч хадгалах технологийн замыг нээх магадлалтай. Натрийн ион батерейд ашиглахаар янз бүрийн полимер электродын материалыг судалсан боловч энэ салбар хөгжлийнхөө эхний шатандаа явж байна. Натрийн ион батерейны хувьд өөр өөр бүтцийн тохиргоотой илүү олон полимер материалыг судлах шаардлагатай байна. Полимер электродын материалд натрийн ионуудыг хадгалах механизмын талаарх бидний одоогийн мэдлэг дээр үндэслэн коньюгат систем дэх карбонилын бүлэг, чөлөөт радикалууд болон гетероатомууд нь натрийн ионуудтай харилцан үйлчлэх идэвхтэй төв болж чадна гэсэн таамаглал дэвшүүлж болно. Тиймээс эдгээр идэвхтэй төвүүдийн өндөр нягтралтай шинэ полимерүүдийг боловсруулах нь чухал юм. Гель полимер электролит (GPE) нь батерейны найдвартай байдал, ионы дамжуулах чадвар, алдагдалгүй байдал, өндөр уян хатан байдал, сайн гүйцэтгэлийг сайжруулдаг өөр технологи юм12.
Полимер матрицуудад PVA болон полиэтилен исэл (PEO) зэрэг материалууд орно13. Гель нэвчилттэй полимер (GPE) нь полимер матриц дахь шингэн электролитийг хөдөлгөөнгүй болгодог бөгөөд энэ нь арилжааны тусгаарлагчтай харьцуулахад гоожих эрсдлийг бууруулдаг14. PVA нь синтетик биологийн задралд ордог полимер юм. Энэ нь өндөр диэлектрик нэвчилттэй, хямд бөгөөд хоргүй. Энэ материал нь хальс үүсгэх шинж чанар, химийн тогтвортой байдал, наалдацаараа алдартай. Мөн функциональ (OH) бүлэг болон өндөр хөндлөн холбоосын потенциал нягтралтай15,16,17. Полимер холих, хуванцаржуулагч нэмэх, нийлмэл нэмэх болон байрандаа полимержүүлэх аргыг матрицын талстжилтыг бууруулж, гинжин хэлхээний уян хатан байдлыг нэмэгдүүлэхийн тулд PVA дээр суурилсан полимер электролитийн дамжуулах чадварыг сайжруулахад ашигласан18,19,20.
Холимог нь үйлдвэрлэлийн зориулалттай полимер материалыг боловсруулах чухал арга юм. Полимер хольцыг ихэвчлэн дараахь зорилгоор ашигладаг: (1) үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд байгалийн полимерүүдийн боловсруулалтын шинж чанарыг сайжруулах; (2) био задралд ордог материалын химийн, физик, механик шинж чанарыг сайжруулах; мөн (3) хүнсний сав баглаа боодлын үйлдвэрлэлийн шинэ материалын хурдацтай өөрчлөгдөж буй эрэлт хэрэгцээнд дасан зохицох. Кополимержилтоос ялгаатай нь полимер холих нь хүссэн шинж чанарт хүрэхийн тулд нарийн төвөгтэй химийн процессоос илүү энгийн физик процессыг ашигладаг хямд өртөгтэй процесс юм. Гомополимер үүсгэхийн тулд өөр өөр полимерүүд дипол-диполын хүч, устөрөгчийн холбоо эсвэл цэнэг дамжуулах цогцолбороор харилцан үйлчилж болно. 22,23. Байгалийн болон синтетик полимерээс хийсэн хольцууд нь сайн био нийцтэй байдлыг маш сайн механик шинж чанартай хослуулж, үйлдвэрлэлийн бага өртгөөр дээд зэргийн материалыг бий болгож чаддаг. 24,25. Тиймээс синтетик болон байгалийн полимерүүдийг хольж био хамааралтай полимер материалыг бий болгох сонирхол их байсан. PVA-г натрийн альгинат (NaAlg), целлюлоз, хитозан, цардуултай хослуулж болно. 26.
Натрийн альгинат нь далайн бор замагнаас гаргаж авсан байгалийн полимер ба анион полисахарид юм. Натрийн альгинат нь β-(1-4)-холбогдсон D-маннуроны хүчил (M) ба α-(1-4)-холбогдсон L-гулуроны хүчил (G)-ээс бүрдэх бөгөөд гомополимер хэлбэр (поли-M ба поли-G) ба гетерополимер блок (MG эсвэл GM)27 болгон зохион байгуулагдсан. M ба G блокуудын агууламж ба харьцангуй харьцаа нь альгинатын химийн болон физик шинж чанарт мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлдэг28,29. Натрийн альгинат нь био задрал, био нийцтэй байдал, хямд өртөг, сайн хальс үүсгэх шинж чанар, хоргүй чанараараа өргөн хэрэглэгддэг бөгөөд судлагдсан. Гэсэн хэдий ч альгинатын гинжин хэлхээнд олон тооны чөлөөт гидроксил (OH) ба карбоксилат (COO) бүлгүүд байдаг нь альгинатыг өндөр гидрофил болгодог. Гэсэн хэдий ч альгинат нь хэврэг, хатуулаг байдлаасаа болж механик шинж чанар муутай байдаг. Тиймээс альгинатыг усны мэдрэмж болон механик шинж чанарыг сайжруулахын тулд бусад синтетик материалуудтай хослуулж болно30,31.
Шинэ электрод материалыг зохион бүтээхээс өмнө шинэ материалын үйлдвэрлэлийн боломжийг үнэлэхэд DFT тооцооллыг ихэвчлэн ашигладаг. Үүнээс гадна эрдэмтэд туршилтын үр дүнг баталгаажуулах, урьдчилан таамаглах, цаг хэмнэх, химийн хаягдлыг багасгах, харилцан үйлчлэлийн зан төлөвийг урьдчилан таамаглахын тулд молекулын загварчлалыг ашигладаг32. Молекулын загварчлал нь материалын шинжлэх ухаан, наноматериал, тооцооллын хими, эмийн нээлт зэрэг олон салбарт шинжлэх ухааны хүчирхэг, чухал салбар болсон33,34. Загварчлалын програмуудыг ашиглан эрдэмтэд энерги (үүсэх дулаан, ионжуулалтын потенциал, идэвхжүүлэх энерги гэх мэт) болон геометр (холбооны өнцөг, холбооны урт, мушгиралтын өнцөг)35 зэрэг молекулын өгөгдлийг шууд авах боломжтой. Үүнээс гадна электрон шинж чанарууд (цэнэг, HOMO ба LUMO зурвасын завсарын энерги, электрон хамаарал), спектрийн шинж чанарууд (FTIR спектр гэх мэт чичиргээний горим ба эрчим), эзлэхүүн шинж чанарууд (эзэлхүүн, тархалт, зуурамтгай чанар, модуль гэх мэт)36-г тооцоолж болно.
LiNiPO4 нь өндөр энергийн нягтралтай (ойролцоогоор 5.1 В ажлын хүчдэл) тул лити-ион батерейны эерэг электродын материалуудтай өрсөлдөх боломжтой давуу талуудыг харуулж байна. Өндөр хүчдэлийн бүсэд LiNiPO4-ийн давуу талыг бүрэн ашиглахын тулд ажлын хүчдэлийг бууруулах шаардлагатай, учир нь одоогоор боловсруулсан өндөр хүчдэлийн электролит нь зөвхөн 4.8 В-оос доош хүчдэлд харьцангуй тогтвортой хэвээр байж чадна. Жан нар LiNiPO4-ийн Ni хэсэгт бүх 3d, 4d, 5d шилжилтийн металлын допингийг судалж, маш сайн электрохимийн үзүүлэлттэй допинг хийх хэв маягийг сонгож, электрохимийн үзүүлэлтийн харьцангуй тогтвортой байдлыг хадгалахын зэрэгцээ LiNiPO4-ийн ажлын хүчдэлийг тохируулсан. Тэдний олж авсан хамгийн бага ажлын хүчдэл нь Ti, Nb, Ta-допингтой LiNiPO4-ийн хувьд тус тус 4.21, 3.76, 3.5037 байв.
Тиймээс энэхүү судалгааны зорилго нь цэнэглэдэг ион-ион батерейд хэрэглэх квант механик тооцооллыг ашиглан глицеролыг хуванцаржуулагч болгон ашиглах нь PVA/NaAlg системийн электрон шинж чанар, QSAR тодорхойлогч болон дулааны шинж чанарт хэрхэн нөлөөлж байгааг онолын хувьд судлах явдал юм. PVA/NaAlg загвар ба глицеролын хоорондох молекулын харилцан үйлчлэлийг Бадерын молекулын квант атомын онол (QTAIM) ашиглан шинжилсэн.
PVA-ийн NaAlg-тай, дараа нь глицеролтой харилцан үйлчлэлийг харуулсан молекулын загварыг DFT ашиглан оновчтой болгосон. Загварыг Египетийн Каир хотын Үндэсний судалгааны төвийн Спектроскопийн хэлтэст Гауссиан 0938 програм хангамж ашиглан тооцоолсон. Загваруудыг B3LYP/6-311G(d, p) түвшинд DFT ашиглан оновчтой болгосон39,40,41,42. Судалсан загваруудын хоорондын харилцан үйлчлэлийг баталгаажуулахын тулд онолын ижил түвшинд хийгдсэн давтамжийн судалгаагаар оновчтой геометрийн тогтвортой байдлыг харуулсан. Үнэлэгдсэн бүх давтамжийн дунд сөрөг давтамж байхгүй байгаа нь потенциал энергийн гадаргуу дээрх жинхэнэ эерэг минимум дахь дүгнэлт бүтцийг онцолж байна. TDM, HOMO/LUMO зурвасын зөрүүний энерги болон MESP зэрэг физик параметрүүдийг онолын ижил квант механик түвшинд тооцоолсон. Үүнээс гадна, үүсэх эцсийн дулаан, чөлөөт энерги, энтропи, энтальпи, дулаан багтаамж зэрэг зарим дулааны параметрүүдийг Хүснэгт 1-д өгөгдсөн томъёог ашиглан тооцоолсон. Судлагдсан загваруудыг судлагдсан бүтцийн гадаргуу дээр явагдаж буй харилцан үйлчлэлийг тодорхойлохын тулд молекул дахь атомуудын квант онол (QTAIM) шинжилгээнд хамруулсан. Эдгээр тооцооллыг Gaussian 09 програм хангамжийн код дахь “output=wfn” командыг ашиглан гүйцэтгэж, дараа нь Avogadro програм хангамжийн кодыг ашиглан дүрслэн харуулсан.
Энд E нь дотоод энерги, P нь даралт, V нь эзэлхүүн, Q нь систем ба түүний орчны хоорондох дулаан солилцоо, T нь температур, ΔH нь энтальпийн өөрчлөлт, ΔG нь чөлөөт энергийн өөрчлөлт, ΔS нь энтропийн өөрчлөлт, a ба b нь чичиргээний параметрүүд, q нь атомын цэнэг, C нь атомын электроны нягтрал44,45. Эцэст нь ижил бүтцийг оновчтой болгож, QSAR параметрүүдийг Египетийн Каир хотын Үндэсний судалгааны төвийн Спектроскопийн хэлтэст SCIGRESS програм хангамжийн код46 ашиглан PM6 түвшинд тооцоолсон.
Өмнөх ажилдаа47 бид гурван PVA нэгжийг хоёр NaAlg нэгжтэй харилцан үйлчлэлцэхийг дүрсэлсэн хамгийн магадлалтай загварыг үнэлсэн бөгөөд глицерол нь хуванцаржуулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Дээр дурдсанчлан PVA болон NaAlg-ийн харилцан үйлчлэлийн хоёр боломжит хувилбар байдаг. 3PVA-2Na Alg (нүүрстөрөгчийн дугаар 10 дээр үндэслэсэн) ба Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg гэж тодорхойлсон хоёр загвар нь бусад авч үзсэн бүтэцтэй харьцуулахад хамгийн бага энергийн зөрүүтэй48 байна. Тиймээс PVA/Na Alg холимог полимерийн хамгийн магадлалтай загварт Gly нэмэлтийн нөлөөг сүүлийн хоёр бүтцийг ашиглан судалсан: 3PVA-(C10)2Na Alg (хялбаршуулахын тулд 3PVA-2Na Alg гэж нэрлэдэг) ба Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. Уран зохиолын дагуу PVA, NaAlg болон глицерол нь гидроксил функциональ бүлгүүдийн хооронд зөвхөн сул устөрөгчийн холбоо үүсгэж чаддаг. PVA тример болон NaAlg болон глицеролын димер хоёулаа хэд хэдэн OH бүлгийг агуулдаг тул холбоо барих нь OH бүлгүүдийн аль нэгээр дамжин хэрэгжиж болно. Зураг 1-т загвар глицеролын молекул болон загвар молекул 3PVA-2Na Alg-ийн харилцан үйлчлэлийг харуулсан бол Зураг 2-т загвар молекул Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg болон глицеролын өөр өөр концентрацийн хоорондох харилцан үйлчлэлийн барьсан загварыг харуулав.
Оновчтой бүтэц: (a) Gly болон 3PVA − 2Na Alg нь (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, болон (f) 5 Gly-тэй харилцан үйлчилдэг.
1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg-ийн оновчтой бүтэц нь (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, болон (f) 6 Gly-тэй харилцан үйлчлэлцэж байна.
Электрон зурвасын цоорхойн энерги нь аливаа электродын материалын урвалд орох чадварыг судлахдаа анхаарах чухал параметр юм. Учир нь энэ нь материалыг гадны өөрчлөлтөд оруулах үед электронуудын зан төлөвийг тодорхойлдог. Тиймээс судлагдсан бүх бүтцийн хувьд HOMO/LUMO-ийн электрон зурвасын цоорхойн энергийг тооцоолох шаардлагатай. Хүснэгт 2-т глицерол нэмснээс үүдэлтэй 3PVA-(C10)2Na Alg болон Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg-ийн HOMO/LUMO энергийн өөрчлөлтийг харуулав. 47-р лавлагааны дагуу 3PVA-(C10)2Na Alg-ийн Eg утга нь 0.2908 эВ, харин хоёр дахь харилцан үйлчлэлийн магадлалыг тусгасан бүтцийн Eg утга (өөрөөр хэлбэл Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) нь 0.5706 эВ байна.
Гэсэн хэдий ч глицеролыг нэмэхэд 3PVA-(C10)2Na Alg-ийн Eg утга бага зэрэг өөрчлөгдсөн болохыг тогтоожээ. 3PVA-(C10)2NaAlg нь 1, 2, 3, 4, 5 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэхэд түүний Eg утга тус тус 0.302, 0.299, 0.308, 0.289, 0.281 эВ болсон. Гэсэн хэдий ч 3 глицеролын нэгж нэмсний дараа Eg утга нь 3PVA-(C10)2Na Alg-ийнхаас бага болсон гэсэн үнэ цэнэтэй ойлголт бий. 3PVA-(C10)2Na Alg-ийн таван глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэлийг илэрхийлсэн загвар нь хамгийн магадлалтай харилцан үйлчлэлийн загвар юм. Энэ нь глицеролын нэгжийн тоо нэмэгдэхийн хэрээр харилцан үйлчлэлийн магадлал мөн нэмэгддэг гэсэн үг юм.
Үүний зэрэгцээ, харилцан үйлчлэлийн хоёр дахь магадлалын хувьд, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly болон Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly-г төлөөлөх загвар молекулуудын HOMO/LUMO энерги нь тус тус 1.343, 1.347, 0.976, 0.607, 0.348 болон 0.496 eV болно. Хүснэгт 2-т бүх бүтцийн тооцоолсон HOMO/LUMO зурвасын зөрүүний энергийг харуулав. Түүнээс гадна, эхний бүлгийн харилцан үйлчлэлийн магадлалын ижил зан төлөв энд давтагдана.
Хатуу төлөвт физикийн зурвасын онолд электродын материалын зурвасын зай буурах тусам материалын электрон дамжуулах чанар нэмэгддэг гэж үздэг. Допинг нь натрийн ионы катодын материалын зурвасын зайг багасгах нийтлэг арга юм. Жиан нар β-NaMnO2 давхаргатай материалын электрон дамжуулах чанарыг сайжруулахын тулд Cu-ийн допингийг ашигласан. DFT тооцооллыг ашиглан тэд допингийн тусламжтайгаар материалын зурвасын зайг 0.7 эВ-ээс 0.3 эВ хүртэл бууруулсан болохыг тогтоожээ. Энэ нь Cu-ийн допингийн тусламжтайгаар β-NaMnO2 материалын электрон дамжуулах чанар сайжирдаг болохыг харуулж байна.
MESP-г молекулын цэнэгийн тархалт ба ганц эерэг цэнэгийн хоорондох харилцан үйлчлэлийн энерги гэж тодорхойлдог. MESP-г химийн шинж чанар болон урвалд орох чадварыг ойлгох, тайлбарлах үр дүнтэй хэрэгсэл гэж үздэг. MESP-г полимер материалын хоорондох харилцан үйлчлэлийн механизмыг ойлгоход ашиглаж болно. MESP нь судалж буй нэгдэл доторх цэнэгийн тархалтыг тайлбарладаг. Үүнээс гадна, MESP нь судалгаанд хамрагдаж буй материалын идэвхтэй төвүүдийн талаарх мэдээллийг өгдөг32. Зураг 3-т B3LYP/6-311G(d, p) онолын түвшинд таамагласан 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, болон 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly-ийн MESP графикийг харуулав.
(a) Gly болон 3PVA − 2Na Alg нь (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, болон (f) 5 Gly-тэй харилцан үйлчлэлцэж байгаа тохиолдолд B3LYP/6-311 g(d, p) ашиглан тооцоолсон MESP контурууд.
Үүний зэрэгцээ, Зураг 4-т 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg-1Gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg- 5gly болон 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly гэсэн MESP-ийн тооцоолсон үр дүнг тус тус харуулав. Тооцоолсон MESP-ийг контурын зан төлөвөөр илэрхийлнэ. Контурын шугамуудыг өөр өөр өнгөөр ​​илэрхийлнэ. Өнгө бүр өөр өөр цахилгаан сөрөг чанарын утгыг илэрхийлнэ. Улаан өнгө нь өндөр цахилгаан сөрөг буюу урвалд ордог цэгүүдийг илэрхийлнэ. Үүний зэрэгцээ шар өнгө нь бүтэц дэх 49, 50, 51 төвийг сахисан цэгүүдийг илэрхийлнэ. MESP-ийн үр дүнгээс харахад 3PVA-(C10)2Na Alg-ийн урвалд орох чадвар нь судлагдсан загваруудын эргэн тойронд улаан өнгө нэмэгдэхийн хэрээр нэмэгдсэн байна. Үүний зэрэгцээ, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg загварын молекулын MESP газрын зураг дээрх улаан өнгөний эрчим нь өөр өөр глицеролын агууламжтай харилцан үйлчлэлцсэний улмаас буурдаг. Санал болгож буй бүтцийн эргэн тойрон дахь улаан өнгөний тархалтын өөрчлөлт нь урвалд орох чадварыг тусгадаг бол эрчимжилтийн өсөлт нь глицеролын агууламж нэмэгдсэний улмаас 3PVA-(C10)2Na Alg загварын молекулын цахилгаан сөрөг чанар нэмэгдсэнийг баталж байна.
B3LYP/6-311 g(d, p) тооцоолсон 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg-ийн MESP гишүүн нь (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, болон (f) 6 Gly-тэй харилцан үйлчлэлцэж байна.
Санал болгож буй бүх бүтэц нь 200 К-ээс 500 К хүртэлх өөр өөр температурт энтальпи, энтропи, дулаан багтаамж, чөлөөт энерги, үүсэх дулаан зэрэг дулааны параметрүүдийг тооцоолсон. Физик системийн зан төлөвийг тодорхойлохын тулд тэдгээрийн электрон зан төлөвийг судлахаас гадна тэдгээрийн бие биетэйгээ харилцан үйлчлэлцэх температурын функц болгон дулааны зан төлөвийг судлах шаардлагатай бөгөөд үүнийг Хүснэгт 1-д өгөгдсөн тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолж болно. Эдгээр дулааны параметрүүдийг судлах нь ийм физик системийн өөр өөр температурт хариу үйлдэл үзүүлэх чадвар, тогтвортой байдлын чухал үзүүлэлт гэж тооцогддог.
PVA тримерийн энтальпийн хувьд энэ нь эхлээд NaAlg димертэй, дараа нь нүүрстөрөгчийн атом #10-д холбогдсон OH бүлэгтэй, эцэст нь глицеролтой урвалд ордог. Энтальпийн хувьд термодинамик систем дэх энергийн хэмжүүр юм. Энтальпийн хувьд систем дэх нийт дулаантай тэнцүү бөгөөд энэ нь системийн дотоод энерги дээр түүний эзэлхүүн ба даралтын үржвэртэй тэнцүү юм. Өөрөөр хэлбэл, энтальпийн хувьд бодист хэр их дулаан болон ажил нэмэгдэж эсвэл хасагдсаныг харуулна52.
Зураг 5-т 3PVA-(C10)2Na Alg-ийн өөр өөр глицеролын концентрацитай урвалд орох үеийн энтальпийн өөрчлөлтийг харуулав. A0, A1, A2, A3, A4, болон A5 гэсэн товчлолууд нь тус тус 3PVA-(C10)2Na Alg, 3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly, болон 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly загвар молекулуудыг илэрхийлнэ. Зураг 5a-д температур болон глицеролын агууламж нэмэгдэхийн хэрээр энтальпийн хэмжээ нэмэгддэгийг харуулж байна. 200 К температурт 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (өөрөөр хэлбэл A5)-ийг төлөөлж буй бүтцийн энтальпи нь 27.966 кал/моль байхад 200 К температурт 3PVA-2NaAlg-ийг төлөөлж буй бүтцийн энтальпи нь 13.490 кал/моль байна. Эцэст нь энтальпи эерэг тул энэ урвал нь эндотермик юм.
Энтропи нь хаалттай термодинамик систем дэх боломжгүй энергийн хэмжүүр гэж тодорхойлогддог бөгөөд ихэвчлэн системийн эмх замбараагүй байдлын хэмжүүр гэж үздэг. Зураг 5b-д 3PVA-(C10)2NaAlg-ийн температуртай энтропийн өөрчлөлт болон өөр өөр глицеролын нэгжүүдтэй хэрхэн харилцан үйлчлэлцэж байгааг харуулав. Графикаас харахад температур 200 К-ээс 500 К хүртэл нэмэгдэхэд энтропи шугаман өөрчлөгддөг. Зураг 5b-д 3PVA-(C10)2Na Alg загварын энтропи нь 200 К-д 200 кал/К/моль болж хувирдаг болохыг тодорхой харуулав, учир нь 3PVA-(C10)2Na Alg загвар нь торны эмх замбараагүй байдлыг бага харуулдаг. Температур нэмэгдэхийн хэрээр 3PVA-(C10)2Na Alg загвар нь эмх замбараагүй болж, температур нэмэгдэхийн хэрээр энтропийн өсөлтийг тайлбарладаг. Түүнчлэн, 3PVA-C10 2Na Alg-5 Gly-ийн бүтэц нь хамгийн өндөр энтропийн утгатай болох нь илэрхий юм.
Зураг 5c-д мөн адил зан төлөв ажиглагдсан бөгөөд энэ нь температурын хамт дулаан багтаамжийн өөрчлөлтийг харуулж байна. Дулааны багтаамж гэдэг нь өгөгдсөн хэмжээний бодисын температурыг 1 °C47-аар өөрчлөхөд шаардагдах дулааны хэмжээ юм. Зураг 5c-д 1, 2, 3, 4, 5 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэлцсэнээс үүдэлтэй 3PVA-(C10)2NaAlg загварын молекулын дулаан багтаамжийн өөрчлөлтийг харуулав. Зураг дээр 3PVA-(C10)2NaAlg загварын дулаан багтаамж температурын хамт шугаман байдлаар нэмэгдэж байгааг харуулж байна. Температур нэмэгдэхийн хэрээр дулаан багтаамжийн ажиглагдсан өсөлтийг фононы дулааны чичиргээтэй холбон тайлбарлаж байна. Үүнээс гадна, глицеролын агууламж нэмэгдэх нь 3PVA-(C10)2NaAlg загварын дулаан багтаамжийг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг гэсэн нотолгоо байдаг. Цаашилбал, бүтэц нь 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly нь бусад бүтэцтэй харьцуулахад хамгийн өндөр дулаан багтаамжийн утгатай болохыг харуулж байна.
Судалгаанд хамрагдсан бүтцийн хувьд чөлөөт энерги ба үүсэх эцсийн дулаан зэрэг бусад параметрүүдийг тооцоолсон бөгөөд Зураг 5d ба e-д тус тус үзүүлэв. Үүсэлтийн эцсийн дулаан гэдэг нь тогтмол даралтын дор цэвэр бодисыг бүрдүүлэгч элементүүдээс үүсэх явцад ялгардаг эсвэл шингээгддэг дулаан юм. Чөлөөт энергийг энергитэй төстэй шинж чанар гэж тодорхойлж болно, өөрөөр хэлбэл түүний утга нь термодинамик төлөв бүрийн бодисын хэмжээнээс хамаарна. 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly-ийн чөлөөт энерги ба үүсэх дулаан хамгийн бага байсан бөгөөд тус тус -1318.338 ба -1628.154 ккал/моль байв. Үүний эсрэгээр, 3PVA-(C10)2NaAlg-ийг төлөөлдөг бүтэц нь бусад бүтэцтэй харьцуулахад чөлөөт энерги ба үүсэх дулааны хамгийн өндөр утгатай бөгөөд тус тус -690.340 ба -830.673 ккал/моль байна. Зураг 5-д үзүүлсэнчлэн, глицеролтой харилцан үйлчлэлцсэний улмаас янз бүрийн дулааны шинж чанарууд өөрчлөгддөг. Гиббсийн чөлөөт энерги сөрөг байгаа нь санал болгож буй бүтэц тогтвортой байгааг харуулж байна.
PM6 нь цэвэр 3PVA- (C10) 2Na Alg (загвар A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (загвар A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (загвар A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (загвар A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (загвар A4), болон 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (загвар A5)-ийн дулааны параметрүүдийг тооцоолсон бөгөөд энд (a) нь энтальпи, (b) энтропи, (c) дулаан багтаамж, (d) чөлөөт энерги, (e) үүсэх дулаан юм.
Нөгөөтэйгүүр, PVA тример ба димер NaAlg-ийн хоорондох хоёр дахь харилцан үйлчлэлийн горим нь PVA тримерийн бүтцийн терминал ба дунд OH бүлгүүдэд тохиолддог. Эхний бүлгийн нэгэн адил дулааны параметрүүдийг ижил түвшний онол ашиглан тооцоолсон. Зураг 6a-e нь энтальпи, энтропи, дулаан багтаамж, чөлөөт энерги болон эцэст нь үүсэх дулааны хэлбэлзлийг харуулж байна. Зураг 6a-c нь Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg-ийн энтальпи, энтропи ба дулаан багтаамж нь 1, 2, 3, 4, 5 ба 6 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэх үед эхний бүлэгтэй ижил зан төлөвийг харуулдаг болохыг харуулж байна. Түүнээс гадна тэдгээрийн утга нь температур нэмэгдэхийн хэрээр аажмаар нэмэгддэг. Нэмж дурдахад, санал болгож буй Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg загварт энтальпи, энтропи ба дулаан багтаамжийн утга нь глицеролын агууламж нэмэгдэхийн хэрээр нэмэгдсэн. B0, B1, B2, B3, B4, B5 болон B6 товчлолууд нь дараах бүтцийг тус тус илэрхийлнэ: Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 1 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 2gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 3gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 4 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 5 Gly болон Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Зураг 6a–c-д үзүүлсэнчлэн глицеролын нэгжийн тоо 1-ээс 6 хүртэл нэмэгдэхэд энтальпи, энтропи болон дулаан багтаамжийн утга нэмэгдэх нь илэрхий байна.
PM6 нь цэвэр Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg (загвар B0), Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (загвар B1), Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (загвар B2), Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (загвар B3), Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (загвар B4), Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (загвар B5), болон Term 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (загвар B6)-ийн дулааны параметрүүдийг тооцоолсон бөгөөд үүнд (a) энтальпи, (b) энтропи, (c) дулаан багтаамж, (d) чөлөөт энерги, (e) үүсэх дулаан багтсан болно.
Үүнээс гадна, 1-р улирлын Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg-6 Gly-г төлөөлж буй бүтэц нь бусад бүтэцтэй харьцуулахад энтальпи, энтропи болон дулаан багтаамжийн хамгийн өндөр утгатай байна. Тэдгээрийн дотроос тэдгээрийн утга 1-р улирлын Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg-д 16.703 кал/моль, 257.990 кал/моль/К болон 131.323 ккал/моль байснаас 1-р улирлын Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly-д тус тус 33.223 кал/моль, 420.038 кал/моль/К болон 275.923 ккал/моль болж өссөн байна.
Гэсэн хэдий ч 6d ба e зурагт чөлөөт энерги ба үүсэх эцсийн дулааны (HF) температурын хамаарлыг харуулав. HF-ийг байгалийн болон стандарт нөхцөлд нэг моль бодис түүний элементүүдээс үүсэхэд үүсдэг энтальпийн өөрчлөлт гэж тодорхойлж болно. Зурагнаас харахад судлагдсан бүх бүтцийн чөлөөт энерги ба үүсэх эцсийн дулаан нь температураас шугаман хамааралтай байгааг харуулж байна, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь температур нэмэгдэхийн хэрээр аажмаар, шугаман байдлаар нэмэгддэг. Үүнээс гадна, зураг нь 1-р нэр томьёо Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly-ийг төлөөлж буй бүтэц нь хамгийн бага чөлөөт энергитэй, хамгийн бага HF-тэй болохыг баталсан. Хоёр параметр хоёулаа 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly нэр томьёонд -758.337-аас -899.741 K кал/моль болж буурсан. Глицеролын нэгж нэмэгдэхийн хэрээр HF буурдаг нь үр дүнгээс харагдаж байна. Энэ нь функциональ бүлгүүдийн өсөлтөөс шалтгаалан урвалд орох чадвар мөн нэмэгдэж, улмаар урвал явуулахад бага энерги шаардагдана гэсэн үг юм. Энэ нь хуванцаржуулсан PVA/NaAlg нь өндөр урвалд орох чадвартай тул батерейнд ашиглаж болохыг баталж байна.
Ерөнхийдөө температурын нөлөөллийг хоёр төрөлд хуваадаг: бага температурын нөлөөлөл ба өндөр температурын нөлөөлөл. Бага температурын нөлөө нь голчлон Гренланд, Канад, Орос зэрэг өндөр өргөрөгт байрладаг орнуудад мэдрэгддэг. Өвлийн улиралд эдгээр газруудад гаднах агаарын температур тэг хэмээс хамаагүй доош байдаг. Лити-ион батерейны ашиглалтын хугацаа болон гүйцэтгэлд бага температур, ялангуяа залгуурт ажилладаг эрлийз цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, цэвэр цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, эрлийз цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд ашигладаг температур нөлөөлж болно. Сансрын аялал бол лити-ион батерей шаарддаг өөр нэг хүйтэн орчин юм. Жишээлбэл, Ангараг дээрх температур -120 хэм хүртэл буурч болох бөгөөд энэ нь сансрын хөлөгт лити-ион батерей ашиглахад ихээхэн саад учруулдаг. Ашиглалтын температур бага байх нь лити-ион батерейны цэнэг дамжуулах хурд болон химийн урвалын идэвхжил буурахад хүргэж, электрод доторх литийн ионы диффузийн хурд болон электролит дахь ионы дамжуулах чанар буурахад хүргэдэг. Энэхүү доройтол нь эрчим хүчний багтаамж, хүчийг бууруулж, заримдаа бүр гүйцэтгэлийг бууруулдаг53.
Өндөр температурын нөлөө нь өндөр болон нам температурын орчин зэрэг өргөн хүрээний хэрэглээний орчинд тохиолддог бол нам температурын нөлөө нь голчлон нам температурын хэрэглээний орчинд хязгаарлагддаг. Бага температурын нөлөөг голчлон орчны температур тодорхойлдог бол өндөр температурын нөлөөг ихэвчлэн ашиглалтын явцад лити-ион батерейны доторх өндөр температуртай илүү нарийвчлалтай холбодог.
Лити-ион батерей нь өндөр гүйдлийн нөхцөлд (хурдан цэнэглэх, хурдан цэнэггүй болгох зэрэг) дулаан үүсгэдэг бөгөөд энэ нь дотоод температурыг нэмэгдүүлдэг. Өндөр температурт өртөх нь батерейны гүйцэтгэлийг доройтуулж, түүний дотор багтаамж, хүч алдагдах шалтгаан болдог. Ерөнхийдөө литийн алдагдал болон өндөр температурт идэвхтэй материалын нөхөн сэргэлт нь багтаамжийн алдагдалд хүргэдэг бөгөөд цахилгаан алдагдал нь дотоод эсэргүүцэл нэмэгдсэнтэй холбоотой байдаг. Хэрэв температур хяналтаас гарвал дулааны алдагдал үүсдэг бөгөөд энэ нь зарим тохиолдолд аяндаа шатах эсвэл бүр дэлбэрэхэд хүргэдэг.
QSAR тооцоолол нь биологийн идэвхжил ба нэгдлүүдийн бүтцийн шинж чанаруудын хоорондын хамаарлыг тодорхойлоход ашигладаг тооцоолол эсвэл математик загварчлалын арга юм. Бүх зохион бүтээсэн молекулуудыг оновчтой болгож, зарим QSAR шинж чанарыг PM6 түвшинд тооцоолсон. Хүснэгт 3-т тооцоолсон QSAR тодорхойлогчдын заримыг жагсаав. Ийм тодорхойлогчдын жишээнд цэнэг, TDM, нийт энерги (E), иончлолын потенциал (IP), Log P, туйлшрал орно (IP ба Log P-г тодорхойлох томъёог Хүснэгт 1-ээс үзнэ үү).
Тооцооллын үр дүнгээс харахад судлагдсан бүх бүтцийн нийт цэнэг нь үндсэн төлөвт байгаа тул тэг байна. Эхний харилцан үйлчлэлийн магадлалын хувьд 3PVA-(C10) 2Na Alg-ийн хувьд глицеролын TDM нь 2.788 Debye болон 6.840 Debye байсан бол 3PVA-(C10) 2Na Alg нь 1, 2, 3, 4 болон 5 нэгж глицеринтэй харилцан үйлчлэхэд TDM-ийн утгыг тус тус 17.990 Debye, 8.848 Debye, 5.874 Debye, 7.568 Debye болон 12.779 Debye болгон нэмэгдүүлсэн. TDM-ийн утга өндөр байх тусам хүрээлэн буй орчинтой урвалд орох чадвар нь өндөр байна.
Нийт энерги (E)-г мөн тооцоолсон бөгөөд глицерол ба 3PVA-(C10)2 NaAlg-ийн E утгууд нь тус тус -141.833 эВ ба -200092.503 эВ болохыг тогтоосон. Үүний зэрэгцээ, 3PVA-(C10)2 NaAlg-ийг төлөөлдөг бүтэц нь 1, 2, 3, 4 ба 5 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчилдэг; E нь тус тус -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 ба -1548.031 эВ болдог. Глицеролын агууламж нэмэгдэх нь нийт энерги буурч, улмаар урвалд орох чадвар нэмэгддэг. Нийт энергийн тооцоололд үндэслэн 3PVA-2Na Alg-5 Gly загвар молекул нь бусад загвар молекулуудаас илүү урвалд ордог гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн. Энэ үзэгдэл нь тэдгээрийн бүтэцтэй холбоотой юм. 3PVA-(C10)2NaAlg нь зөвхөн хоёр -COONa бүлэг агуулдаг бол бусад бүтэц нь хоёр -COONa бүлэг агуулдаг боловч хэд хэдэн OH бүлэг агуулдаг тул хүрээлэн буй орчинд үзүүлэх урвалд орох чадвар нь нэмэгддэг гэсэн үг юм.
Үүнээс гадна, энэхүү судалгаанд бүх бүтцийн иончлолын энерги (IE)-ийг авч үзсэн болно. Иончлолын энерги нь судлагдсан загварын урвалд орох чадварыг хэмжих чухал параметр юм. Электроныг молекулын нэг цэгээс хязгааргүй рүү шилжүүлэхэд шаардагдах энергийг иончлолын энерги гэж нэрлэдэг. Энэ нь молекулын иончлолын (өөрөөр хэлбэл урвалд орох чадвар) түвшинг илэрхийлнэ. Иончлолын энерги өндөр байх тусам урвалд орох чадвар бага байна. 3PVA-(C10)2NaAlg нь 1, 2, 3, 4 ба 5 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэлцэх IE үр дүн нь тус тус -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 ба -9.323 эВ байсан бол глицерол ба 3PVA-(C10)2NaAlg-ийн IE нь тус тус -5.157 ба -9.341 эВ байв. Глицеролыг нэмснээр IP утга буурсан тул молекулын урвалд орох идэвхжил нэмэгдсэн нь электрохимийн төхөөрөмжид PVA/NaAlg/глицеролын загвар молекулын хэрэглээг сайжруулсан.
Хүснэгт 3-ын тав дахь тодорхойлогч нь Log P бөгөөд энэ нь хуваалтын коэффициентийн логарифм бөгөөд судалж буй бүтэц нь гидрофиль эсвэл гидрофобик эсэхийг тодорхойлоход ашиглагддаг. Сөрөг Log P утга нь гидрофиль молекулыг илэрхийлдэг бөгөөд энэ нь усанд амархан уусдаг, органик уусгагчид муу уусдаг гэсэн үг юм. Эерэг утга нь эсрэг үйл явцыг илтгэнэ.
Олж авсан үр дүнд үндэслэн бүх бүтэц нь гидрофиль гэж дүгнэж болно, учир нь тэдгээрийн Лог Р утга (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly болон 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) нь тус тус -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 ба -8.504 байдаг бол глицеролын Лог Р утга нь ердөө -1.081, 3PVA-(C10)2Na Alg нь ердөө -3.100 байна. Энэ нь судалж буй бүтцийн шинж чанар нь усны молекулууд түүний бүтцэд нэгдэх тусам өөрчлөгдөнө гэсэн үг юм.
Эцэст нь бүх бүтцийн туйлшралын чадварыг хагас эмпирик аргаар PM6 түвшинд тооцоолсон. Өмнө нь ихэнх материалын туйлшрал нь янз бүрийн хүчин зүйлээс хамаардаг болохыг тэмдэглэсэн. Хамгийн чухал хүчин зүйл бол судалж буй бүтцийн эзэлхүүн юм. 3PVA болон 2NaAlg-ийн хоорондох эхний төрлийн харилцан үйлчлэлийг хамарсан бүх бүтцийн хувьд (харилцан үйлчлэл нь нүүрстөрөгчийн атомын 10 дугаараар дамждаг) глицерол нэмснээр туйлшралын чанарыг сайжруулдаг. 1, 2, 3, 4 ба 5 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэлцсэний улмаас туйлшралын түвшин 29.690 Å-ээс 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 ба 54.638 Å хүртэл нэмэгддэг. Тиймээс хамгийн өндөр туйлшралтай загвар молекул нь 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, харин хамгийн бага туйлшралтай загвар молекул нь 29.690 Å болох 3PVA-(C10)2NaAlg болохыг тогтоожээ.
QSAR тодорхойлогчдыг үнэлэхэд 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly-г төлөөлж буй бүтэц нь анхны санал болгож буй харилцан үйлчлэлийн хувьд хамгийн урвалд ордог болохыг харуулсан.
PVA тример болон NaAlg димерийн хоорондох хоёр дахь харилцан үйлчлэлийн горимын хувьд үр дүнгээс харахад тэдгээрийн цэнэг нь өмнөх хэсэгт эхний харилцан үйлчлэлийн талаар санал болгосонтой төстэй байна. Бүх бүтэц нь тэг электрон цэнэгтэй бөгөөд энэ нь тэдгээр нь бүгд үндсэн төлөвт байна гэсэн үг юм.
Хүснэгт 4-т үзүүлсэнчлэн, Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg-ийн TDM утга (PM6 түвшинд тооцоолсон) нь Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg нь 1, 2, 3, 4, 5, 6 нэгж глицеринтэй урвалд ороход 1-р үеийн Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg-ийн TDM утга (PM6 түвшинд тооцоолсон) 11.581 Debye-ээс 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507, болон 15.756 болж өссөн. Гэсэн хэдий ч нийт энерги нь глицеролын нэгжийн тоо нэмэгдэхийн хэрээр буурдаг бөгөөд 1-р үеийн Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg нь тодорхой тооны глицеролын нэгжтэй (1-ээс 6 хүртэл) харилцан үйлчлэлцэхэд нийт энерги нь тус тус − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964, болон − 1637.432 эВ байна.
Хоёр дахь харилцан үйлчлэлийн магадлалын хувьд IP, Log P болон туйлшралын чадварыг мөн онолын PM6 түвшинд тооцоолсон. Тиймээс тэд молекулын урвалын хамгийн хүчирхэг гурван тодорхойлогчийг авч үзсэн. 1, 2, 3, 4, 5 ба 6 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчилж буй 1-р төгсгөлийн Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ийг төлөөлдөг бүтцийн хувьд IP нь −9.385 eV-ээс −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.997 ба −8.900 eV хүртэл нэмэгддэг. Гэсэн хэдий ч 1-р төгсгөлийн Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ийг глицеролоор хуванцаржуулснаас болж тооцоолсон Log P утга бага байсан. Глицеролын агууламж 1-ээс 6 хүртэл нэмэгдэхэд түүний утга -3.643-ын оронд -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 болон -10.53 болж байна. Эцэст нь, туйлшралын өгөгдөл нь глицеролын агууламжийг нэмэгдүүлэх нь Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg-ийн туйлшралын чадварыг нэмэгдүүлэхэд хүргэсэн болохыг харуулсан. Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg загварын молекулын туйлшралын чадвар нь 6 глицеролын нэгжтэй харилцан үйлчлэлцсэний дараа 31.703 Å-ээс 63.198 Å болж нэмэгдсэн. Хоёр дахь харилцан үйлчлэлийн магадлал дахь глицеролын нэгжийн тоог нэмэгдүүлэх нь олон тооны атом, нарийн төвөгтэй бүтэцтэй хэдий ч глицеролын агууламж нэмэгдэхийн хэрээр гүйцэтгэл сайжирсаар байгааг батлахын тулд хийгддэг гэдгийг тэмдэглэх нь чухал юм. Тиймээс одоо байгаа PVA/Na Alg/глицерины загвар нь лити-ион батерейг хэсэгчлэн орлож чадна гэж хэлж болох ч илүү их судалгаа, хөгжүүлэлт шаардлагатай байна.
Гадаргуугийн адсорбаттай холбох чадварыг тодорхойлж, системүүдийн хоорондох өвөрмөц харилцан үйлчлэлийг үнэлэхийн тулд аливаа хоёр атомын хооронд ямар төрлийн холбоо байдаг, молекул хоорондын болон молекул доторх харилцан үйлчлэлийн нарийн төвөгтэй байдал, гадаргуу ба адсорбентын электрон нягтралын тархалтын талаарх мэдлэг шаардлагатай. Харилцан үйлчлэлцэж буй атомуудын хоорондох холбооны чухал цэг (BCP) дээрх электрон нягтрал нь QTAIM шинжилгээнд холбооны бат бөх чанарыг үнэлэхэд чухал ач холбогдолтой. Электрон цэнэгийн нягтрал өндөр байх тусам ковалент харилцан үйлчлэл тогтвортой болж, ерөнхийдөө эдгээр чухал цэгүүд дэх электрон нягтрал өндөр байна. Түүнчлэн, хэрэв нийт электрон энергийн нягтрал (H(r)) болон Лапласын цэнэгийн нягтрал (∇2ρ(r)) хоёулаа 0-ээс бага байвал энэ нь ковалент (ерөнхий) харилцан үйлчлэл байгааг илтгэнэ. Нөгөөтэйгүүр, ∇2ρ(r) ба H(r) нь 0.54-өөс их байвал энэ нь сул устөрөгчийн холбоо, ван дер Ваальсын хүч, электростатик харилцан үйлчлэл зэрэг ковалент бус (хаалттай бүрхүүл) харилцан үйлчлэл байгааг илтгэнэ. QTAIM шинжилгээгээр 7 ба 8-р зурагт үзүүлсэн шиг судлагдсан бүтцэд ковалент бус харилцан үйлчлэлийн мөн чанарыг илчилсэн. Шинжилгээнд үндэслэн 3PVA − 2Na Alg болон Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg-ийг төлөөлсөн загвар молекулууд нь өөр өөр глициний нэгжүүдтэй харилцан үйлчилж буй молекулуудаас илүү өндөр тогтвортой байдлыг харуулсан. Учир нь электростатик харилцан үйлчлэл ба устөрөгчийн холбоо зэрэг альгинатын бүтцэд илүү түгээмэл байдаг хэд хэдэн ковалент бус харилцан үйлчлэл нь альгинатыг нийлмэл бодисыг тогтворжуулах боломжийг олгодог. Цаашилбал, бидний үр дүнгээс харахад 3PVA − 2Na Alg болон Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg загвар молекулууд ба глициний хоорондох ковалент бус харилцан үйлчлэлийн ач холбогдлыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь глицин нь нийлмэл бодисын нийт электрон орчныг өөрчлөхөд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг харуулж байна.
3PVA − 2NaAlg загвар молекулын (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, болон (f) 5Gly-тэй харилцан үйлчилж буй QTAIM шинжилгээ.