第一作者：Justin C. Bui

通訊作者：Adam Z. Weber,Justin C. Bui

通訊單位：勞倫斯伯克利國家實驗室，加州大學(xué)伯克利分校

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雙極膜（BPMs）能夠在電化學(xué)電池中控制離子濃度和通量，適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

本論文深入探討了雙極膜（BPMs）在電化學(xué)過程中的多尺度物理特性，闡述了BPMs的設(shè)計原理，以推動高級BPMs的發(fā)展。雙極膜由兩層帶有固定電荷的離子導(dǎo)電聚合物（離子體）組成，中間通常有一層催化劑層（CL）。BPMs能夠在電化學(xué)系統(tǒng)中控制離子濃度和通量，適用于多種應(yīng)用場景。

文章描述了BPMs的化學(xué)、結(jié)構(gòu)和物理特性，并將其與電化學(xué)工程中的熱力學(xué)、傳輸現(xiàn)象和化學(xué)動力學(xué)聯(lián)系起來，這些相互作用產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-性能關(guān)系，為設(shè)計具有高選擇性、耐久性和電壓效率的BPMs提供了標(biāo)準(zhǔn)。本文還討論了BPMs在能量轉(zhuǎn)換或存儲、環(huán)境修復(fù)等新興應(yīng)用中的性能折衷，并展望了可持續(xù)電化學(xué)過程中下一代BPMs的發(fā)展。

圖文導(dǎo)讀

圖1：BPMs在正向和反向偏置下的操作模式，以及AEL（陰離子交換層）、CL（催化劑層）和CEL（陽離子交換層）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖2：BPMs中的熱力學(xué)、傳輸現(xiàn)象和動力學(xué)概述。

圖3：BPMs的極化曲線和在不同物理現(xiàn)象下的工作區(qū)域。

圖4：BPMs性能折衷討論。

注：以上為論文中部分圖表。

總結(jié)展望

本論文的亮點在于對BPMs在電化學(xué)過程中的多尺度物理特性進(jìn)行了深入分析，并提出了設(shè)計高選擇性、耐久性和電壓效率BPMs的原則。研究通過連接BPMs中的基本物理現(xiàn)象與器件級性能和工程，旨在促進(jìn)下一代BPMs的發(fā)展，以實現(xiàn)可持續(xù)的電化學(xué)過程。

論文中的數(shù)據(jù)表明，通過優(yōu)化BPMs的結(jié)構(gòu)和材料，可以顯著提高其在能量轉(zhuǎn)換或存儲、環(huán)境修復(fù)等應(yīng)用中的性能。此外，論文還討論了BPMs面臨的挑戰(zhàn)，包括在實際過程流中管理雜質(zhì)、提高材料耐久性和反應(yīng)器穩(wěn)定性，以及降低生產(chǎn)成本。

未來的研究將需要進(jìn)一步改進(jìn)BPMs的多個方面，包括熱力學(xué)和傳輸現(xiàn)象的耦合、界面工程、新型離子導(dǎo)電聚合物的開發(fā)，以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Multi-scale physics of bipolar membranes in electrochemical processes

期刊：Nature Chemical Engineering

DOI：10.1038/s44286-023-00009-x