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，加州大學伯克利分校

論文速覽

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

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

文章描述了BPMs的化學、結構和物理特性，并將其與電化學工程中的熱力學、傳輸現象和化學動力學聯系起來，這些相互作用產生了結構-性質-性能關系，為設計具有高選擇性、耐久性和電壓效率的BPMs提供了標準。本文還討論了BPMs在能量轉換或存儲、環境修復等新興應用中的性能折衷，并展望了可持續電化學過程中下一代BPMs的發展。

圖文導讀

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）的化學結構。

圖2：BPMs中的熱力學、傳輸現象和動力學概述。

圖3：BPMs的極化曲線和在不同物理現象下的工作區域。

圖4：BPMs性能折衷討論。

注：以上為論文中部分圖表。

總結展望

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

論文中的數據表明，通過優化BPMs的結構和材料，可以顯著提高其在能量轉換或存儲、環境修復等應用中的性能。此外，論文還討論了BPMs面臨的挑戰，包括在實際過程流中管理雜質、提高材料耐久性和反應器穩定性，以及降低生產成本。

未來的研究將需要進一步改進BPMs的多個方面，包括熱力學和傳輸現象的耦合、界面工程、新型離子導電聚合物的開發，以及技術經濟分析。

文獻信息

標題：Multi-scale physics of bipolar membranes in electrochemical processes

期刊：Nature Chemical Engineering

DOI：10.1038/s44286-023-00009-x