雙極膜（BPMs）能夠相互轉換電壓和pH值，使其成為用于能量轉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)需要進一步研究。

2024年12月20日，加州大學伯克利分校Justin C. Bui、勞倫斯伯克利國家實驗室Adam Z. Weber在國際頂級期刊Nature Chemical Engineering發表題為《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，加州大學伯克利分校博士生/勞倫斯伯克利國家實驗室研究員。在哥倫比亞大學獲得學士學位，將在加州理工學院擔任博士后學者。

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

Adam Z. Weber，勞倫斯伯克利國家實驗室高級科學家。在塔夫茨大學取得學士和碩士學位，在賓夕法尼亞大學獲得博士學位。現任職于勞倫斯伯克利國家實驗室。

Adam Z. Weber致力于使用先進的建模來了解和優化燃料電池和電解槽的性能和壽命，了解用于電網規模儲能的液流電池，以及分析太陽能燃料發電機和二氧化碳從減排轉化為高附加值產品。已發表200多篇學術論文，被引近30000次。

基于物理的建模，作者闡明了傳輸和動力學的復雜耦合如何決定電化學器件中FB-BPMs的性能。模擬研究表明，FB-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。

反離子傳質限制和離子雜質的吸收通過降低所施加的pH梯度或介導復合的可用固定電荷位點來限制可達到的電流密度。

該模型強調了選擇性離子管理在減少能量損失方面的重要性，并為能源應用的FB-BPM的合理材料設計提供了見解。

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

圖4：理論識別FB-BPMs中競爭性對離子的能量恢復損失

圖5：CO₂吸收和共離子解離嚴重衰減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會

綜上，作者通過物理基礎建模揭示了正向偏置雙極膜（FB-BPMs）在電化學設備中的能量轉換和存儲性能，特別是它們在從pH梯度中提取電壓時的傳輸和動力學耦合如何決定其性能。研究發現，通過優化雙極膜的選擇性和反應動力學，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換和存儲技術具有重要意義。

該研究不僅為理解和優化雙極膜的性能提供了理論基礎，而且為設計新型高效的能源轉換和存儲材料提供了指導，具有推動能源和環境技術發展的潛力。

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).?