dc.contributor.author
Wehmeyer, Christoph Sebastian
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:37:30Z
dc.date.available
2013-09-05T12:27:09.243Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1352
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5554
dc.description.abstract
The simulation of large and complex molecular systems is a very challenging
task, especially under realistic conditions. A case in point is the phenomenon
of proton conduction in fuel cell membranes, which is the main topic addressed
in this work. The computational modeling of this transport phenomenon is still
far from being a routine problem, despite the fast development of
computational infrastructure. The general phenomenon of ion conduction in
condensed matter consists of a multitude of facets. In this thesis, I address
several aspects of this phenomenon for the specific case of the proton
transport in hexakis(p-phosphonatophenyl)benzene, an organic compound that is
a promising material for high temperature fuel cell membranes. I have
performed large-scale atomistic simulations with electronic structure methods
to elucidate the proton conduction mechanism in this material. The simulations
show that this compound self-organizes in supramolecular columnar stacks with
a tight intermolecular/interstack hydrogen bond network, which is in good
agreement with experimental results. In particular, the simulations show the
direct motion of individual protons in the dynamically fluctuating hydrogen
bond network. Interestingly, the hydrogen bond network forms quasi-one-
dimensional channels in the interstice of adjacent supramolecular stacks and
parallel to the columnar axis. The observed motion of the protons shows that
the diffusion is most pronounced in these channels. The applied part of my
work is a case in point for large-scale simulations under realistic
conditions. Such large-scale simulations, however, also require large-scale
methods. The second and more theoretical part of my thesis addresses the
development of such large-scale methods, specifically, for quantum-classical
calculations. Hybrid quantum-classical (QM/MM) calculations combine the
ability of classical methods to treat large molecular systems with the
advantage of quantum methods to model chemical processes within smaller
fragments of the system. I have developed an approach to increase the accuracy
of QM/MM calculations with a particular emphasis on spectroscopic parameters;
this approach aims at extending the applicability of first-principles
spectroscopy calculations to large-scale systems. The second development
subproject targets molecular structure prediction by means of numerical
calculations. This is one of the evergreen problems in chemical physics but
also one of the most difficult challenges. Specifically the determination of
the global minimum structure is a field of intense research. For this aim, I
have developed a stochastic, swarm intelligence-based optimization algorithm
to the problem of global geometry optimization.
de
dc.description.abstract
Die Simulation von großskaligen und komplexen molekularen Systemen ist eine
große Herausforderung, insbesondere, wenn die Simulation unter realistischen
Bedingungen durchgeführt werden soll. Das zentrale Thema dieser Dissertation
ist die Protonenleitung in Brennstoffzellmembranen und ein typisches Beispiel
für solch eine Simulation. Die numerische Modellierung dieses
Transportphänomens ist allerdings ausgesprochen aufwendig, trotz der rasanten
Leistungsfähigkeitssteigerung modernen Computer. Das allgemeine Phänomen der
Ionenleitung in kondensierter Materie hat viele Facetten. Im Rahmen dieser
Dissertation untersuche ich einige dieser Aspekte für den speziellen Fall von
Protonenleitung in Hexakis(p-Phosphonatophenyl)benzol, einer organischen
Verbindung mit großem Potential für die Anwendung in Brennstoffzellmembranen.
In meiner Arbeit habe ich großskalige, atomistische Simulationen auf Basis der
Elektronenstrukturtheorie durchgeführt, um den Leitungsmechanismus in diesem
Material zu untersuchen. Die Simulationen zeigen, dass sich dieses Material
selbst in supramolekularen Stapeln anordnet und ein dichtes intermolekulares
Netzwerk aus Wasserstoffbrücken ausbildet; diese Resultate stimmen gut mit
experimentellen Beobachtungen überein. Inbesondere erlauben die Simulationen,
die Bewegung der einzelnen Protonen im dynamisch fluktuierenden
Wasserstoffbrückennetzwerk direkt zu beobachten. Interessanterweise bildet das
Wasserstoffbrückennetzwerk quasi-eindimensionale Kanäle im Zwischenraum
benachbarter Stapel, die parallel zu den Stapelachsen angeordnet sind. Die
Analyse der direkten Protonenbewegung zeigt, dass die Protonendiffusion
innerhalb dieser Kanäle besonders ausgeprägt ist. Dieses anwendungsorientierte
Projekt meiner Arbeit ist ein typisches Beispiel für großskalige Simulationen
unter realistischen Umgebungsbedingungen. Solch großskalige Simulationen
stützen sich allerdings auch auf großskalige Simulationemethoden, deren
Entwicklung den zweiten, methodisch orientierten Teil dieser Dissertation
ausmachen: Hybrid-quantenmechanisch-klassische (QM/MM) Simulationsmethoden
erlauben es, die Vorteile klassischer und quantenmechanischer Methoden zu
kombinieren. Dabei wird ein großskaliges System klassisch modelliert und nur
ein Fragment auf Basis der Elektronenstrukturtheorie behandelt. Hierfür habe
ich ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Methode entwickelt,
die insbesondere die Qualität von spektroskopischen Berechnungen erhöht.
Dieses Teilprojekt hat zum Ziel, die Anwendbarkeit von
Spektroskopieberechnungen auf großskalige Systeme auzudehnen. Das zweite
Teilprojekt betrifft die Vorhersage molekularer Struktur mittels numerischer
Rechnungen. Dies stellt eine der zentralen Fragestellungen im Feld der
chemischen Physik dar und ist gleichzeitig eine der größten Herausforderungen.
Insbesondere die Bestimmung des globalen Minimums ist ein vielbeachtetes Feld.
Für dieses Problem habe ich einen stochastischen Algorithmus aus dem Feld der
Schwarmintelligenz adaptiert und daraus einen globalen Optimierer für
molekulare Geometrien entwickelt.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
proton conduction
dc.subject
hydrogen economy
dc.subject
hydrogen bond network
dc.subject
electronic structure
dc.subject
molecular dynamics
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
dc.title
Proton conduction via large-scale atomistic simulations
dc.contributor.firstReferee
PD Dr. Daniel Sebastiani
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Piet Brouwer
dc.date.accepted
2013-08-30
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000095054-2
dc.title.translated
Protonenleitung mittels großskaliger atomistischer Simulationen
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000095054
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000014002
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access