고체산 전해질 양성자 슬링샷 메커니즘
고체산 전해질인 CsH2PO4와 CsHSO4에서 빠른 양성자 전도의 원인은 국부적인 양성자 호핑 또는 다중음이온 회전으로 오랫동안 논의되어 왔으나, 다중음이온 회전의 정확한 역할과 양성자 호핑과의 상호작용은 명확히 밝혀지지 않았습니다. 이 연구는 이 문제 해결을 목표로 합니다. 본 연구는 등변 신경망 힘장을 기반으로 한 나노초 규모 분자 동역학 시뮬레이션을 활용하여 양성자 슬링샷 메커니즘을 규명했습니다. 이 메커니즘은 회전하는 다중음이온이 양성자를 운반하고, O-H 결합 재배향이 변위를 확장하며, 이 복합적인 움직임이 장거리 점프를 가능하게 하는 과정으로 이루어집니다. 이 메커니즘은 기존의 그로트후스(Grotthuss) 유형 모델을 정교화하여, 제한적인 다중음이온 회전만으로도 상당한 O-H 결합 재배향이 장거리 수송을 유도함을 보여줍니다. CsH2PO4와 CsHSO4는 구조적 유사성에도 불구하고 양성자 농도 차이로 인해 질적으로 다른 수송 거동을 보였습니다. CsH2PO4에서는 두 가지 활성화 에너지를 가진 회전 속도가 나타났고, CsHSO4는 더 빠른 생산적인 다중음이온 동역학을 가진 단일 속도 과정을 보였습니다. CsH2PO4의 높은 양성자 농도는 CsHSO4의 SO4보다 PO4의 회전 방해와 느린 동역학을 유발합니다. 또한, CsH2PO4에서는 다중음이온당 추가 양성자로 인해 산소 공유와 양성자 수송 간의 독특한 상관관계가 확인되었습니다. 이러한 발견은 다중음이온 회전, 양성자 배위 및 장거리 수송을 연결하는 통합 프레임워크를 제시하며, 양성자 농도 조절을 통해 회전을 가속화하고 전도도를 향상시킬 수 있음을 시사합니다.