雙極膜（BPMs）能夠相互轉(zhuǎn)換電壓和pH值，使其成為用于能量轉(zhuǎn)換和存儲的有吸引力的材料。

反向偏置BPM利用電壓將水分解成酸和堿，這一技術(shù)已得到越來越多的研究。然而，通過重組從pH梯度中提取電壓的正向偏置BPM (FB-BPMs)需要進(jìn)一步研究。

2024年12月20日，加州大學(xué)伯克利分校Justin C. Bui、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室Adam Z. Weber在國際頂級期刊Nature Chemical Engineering發(fā)表題為《Ion-specific phenomena limit energy recovery in forward-biased bipolar membranes》的研究論文，Justin C. Bui為論文第一作者，Justin C. Bui、Adam Z. Weber為論文共同通訊作者。

Justin C. Bui，加州大學(xué)伯克利分校博士生/勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究員。在哥倫比亞大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，將在加州理工學(xué)院擔(dān)任博士后學(xué)者。

他目前的研究重點(diǎn)是使用連續(xù)介質(zhì)水平理論來了解雙極離子傳導(dǎo)聚合物膜中傳輸和催化的影響，以及闡明催化的影響微環(huán)境對二氧化碳電解還原成高附加值化工產(chǎn)品。

Adam Z. Weber，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室高級科學(xué)家。在塔夫茨大學(xué)取得學(xué)士和碩士學(xué)位，在賓夕法尼亞大學(xué)獲得博士學(xué)位。現(xiàn)任職于勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室。

Adam Z. Weber致力于使用先進(jìn)的建模來了解和優(yōu)化燃料電池和電解槽的性能和壽命，了解用于電網(wǎng)規(guī)模儲能的液流電池，以及分析太陽能燃料發(fā)電機(jī)和二氧化碳從減排轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品。已發(fā)表200多篇學(xué)術(shù)論文，被引近30000次。

基于物理的建模，作者闡明了傳輸和動力學(xué)的復(fù)雜耦合如何決定電化學(xué)器件中FB-BPMs的性能。模擬研究表明，F(xiàn)B-BPMs的開路電位由離子重組和交叉的平衡決定，其中緩沖反離子的重組會減弱開路電勢。

反離子傳質(zhì)限制和離子雜質(zhì)的吸收通過降低所施加的pH梯度或介導(dǎo)復(fù)合的可用固定電荷位點(diǎn)來限制可達(dá)到的電流密度。

該模型強(qiáng)調(diào)了選擇性離子管理在減少能量損失方面的重要性，并為能源應(yīng)用的FB-BPM的合理材料設(shè)計(jì)提供了見解。

圖1：正向偏置雙極膜（FB-BPMs）的工作原理和模型

圖2：理論解析FB-BPMs中開路電位（OCP）的衰減

圖3：模型揭示FB-BPMs中限制和過限制電流密度的本質(zhì)

圖4：理論識別FB-BPMs中競爭性對離子的能量恢復(fù)損失

圖5：CO₂吸收和共離子解離嚴(yán)重衰減FB-BPMs中的電流和功率密度

圖6：電壓損失和敏感性分析揭示了未來工程材料的主要損失和機(jī)會

綜上，作者通過物理基礎(chǔ)建模揭示了正向偏置雙極膜（FB-BPMs）在電化學(xué)設(shè)備中的能量轉(zhuǎn)換和存儲性能，特別是它們在從pH梯度中提取電壓時(shí)的傳輸和動力學(xué)耦合如何決定其性能。研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化雙極膜的選擇性和反應(yīng)動力學(xué)，可以顯著提高能量回收效率，對于CO₂電解、氫燃料電池和氧化還原液流電池等能量轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)具有重要意義。

該研究不僅為理解和優(yōu)化雙極膜的性能提供了理論基礎(chǔ)，而且為設(shè)計(jì)新型高效的能源轉(zhuǎn)換和存儲材料提供了指導(dǎo)，具有推動能源和環(huán)境技術(shù)發(fā)展的潛力。

Bui, J.C., Lees, E.W., Liu, A.K.?et al.?Ion-specific phenomena limit energy recovery in forward-biased bipolar membranes.?Nat. Chem. Eng.,?(2024).?