摘要：反向偏置BPM利用电压将水分解成酸和碱，这一技术已得到越来越多的研究。然而，通过重组从pH梯度中提取电压的正向偏置BPM (FB-BPMs)需要进一步研究。

双极膜（BPMs）能够相互转换电压和pH值，使其成为用于能量转换和存储的有吸引力的材料。

反向偏置BPM利用电压将水分解成酸和碱，这一技术已得到越来越多的研究。然而，通过重组从pH梯度中提取电压的正向偏置BPM (FB-BPMs)需要进一步研究。

2024年12月20日，加州大学伯克利分校Justin C. Bui、劳伦斯伯克利国家实验室Adam Z. Weber在国际顶级期刊Nature Chemical Engineering发表题为《Ion-specific phenomena limit energy recovery in forward-biased bipolar membranes》的研究论文，Justin C. Bui为论文第一作者，Justin C. Bui、Adam Z. Weber为论文共同通讯作者。

Justin C. Bui，加州大学伯克利分校博士生/劳伦斯伯克利国家实验室研究员。在哥伦比亚大学获得学士学位，将在加州理工学院担任博士后学者。

他目前的研究重点是使用连续介质水平理论来了解双极离子传导聚合物膜中传输和催化的影响，以及阐明催化的影响微环境对二氧化碳电解还原成高附加值化工产品。

Adam Z. Weber，劳伦斯伯克利国家实验室高级科学家。在塔夫茨大学取得学士和硕士学位，在宾夕法尼亚大学获得博士学位。现任职于劳伦斯伯克利国家实验室。

Adam Z. Weber致力于使用先进的建模来了解和优化燃料电池和电解槽的性能和寿命，了解用于电网规模储能的液流电池，以及分析太阳能燃料发电机和二氧化碳从减排转化为高附加值产品。已发表200多篇学术论文，被引近30000次。

基于物理的建模，作者阐明了传输和动力学的复杂耦合如何决定电化学器件中FB-BPMs的性能。模拟研究表明，FB-BPMs的开路电位由离子重组和交叉的平衡决定，其中缓冲反离子的重组会减弱开路电势。

反离子传质限制和离子杂质的吸收通过降低所施加的pH梯度或介导复合的可用固定电荷位点来限制可达到的电流密度。

该模型强调了选择性离子管理在减少能量损失方面的重要性，并为能源应用的FB-BPM的合理材料设计提供了见解。

图1：正向偏置双极膜（FB-BPMs）的工作原理和模型

图2：理论解析FB-BPMs中开路电位（OCP）的衰减

图3：模型揭示FB-BPMs中限制和过限制电流密度的本质

图4：理论识别FB-BPMs中竞争性对离子的能量恢复损失

图5：CO2吸收和共离子解离严重衰减FB-BPMs中的电流和功率密度

图6：电压损失和敏感性分析揭示了未来工程材料的主要损失和机会

综上，作者通过物理基础建模揭示了正向偏置双极膜（FB-BPMs）在电化学设备中的能量转换和存储性能，特别是它们在从pH梯度中提取电压时的传输和动力学耦合如何决定其性能。研究发现，通过优化双极膜的选择性和反应动力学，可以显著提高能量回收效率，对于CO2电解、氢燃料电池和氧化还原液流电池等能量转换和存储技术具有重要意义。

该研究不仅为理解和优化双极膜的性能提供了理论基础，而且为设计新型高效的能源转换和存储材料提供了指导，具有推动能源和环境技术发展的潜力。

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). https://doi.org/10.1038/s44286-024-00154-x.

来源：华算科技