Naturechemicalengineering综述：电化学过程中的双极膜多尺度物理学

锂电联盟会长 2024-09-06 09:29

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图文摘要：

综述简介：

双极膜（BPM）能够控制电化学电池中的离子浓度和流量，适用于广泛的应用领域。在此，作者从电化学工程的角度介绍了双极膜的多尺度物理学原理，并阐明了推动先进双极膜发展的设计原则。阐述了 BPM 的化学、结构和物理学，并将其与决定离子和物种通量及选择性的热力学、传输现象和化学动力学联系起来。这些相互作用产生了新的结构-属性-性能关系，从而产生了实现高选择性、耐用性和伏特效率的 BPM 设计标准。由此产生的 BPM 性能权衡，将在能源转换或存储以及环境修复等新兴应用的背景下进行介绍。通过将 BPM 中的基本物理现象与器件级性能和工程学联系起来，旨在促进可持续电化学过程中下一代 BPM 的开发。

背景简介：

双极膜 (BPM) 是一类离子导电聚合物（离子聚合物），由两层相互粘附的固定电荷组成，通常在两层之间有催化剂层 (CL)（图 1a）。一层离子聚合物，即阳离子交换层 (CEL)，含有固定的负电荷。另一层，即阴离子交换层 (AEL)，含有固定的正电荷。BPM 在电化学系统中有两种工作模式：正向和反向偏压（图 1a）

在正向偏压下，阳离子和阴离子分别被输送到 AEL/CEL 界面，并在那里重新结合。在反向偏压下，电场（高达 10⁸ V m^-1）和 AEL/CEL 界面内的催化作用会将可极化的物质（如水或酸）分解为阳离子和阴离子，并分别传输到 CEL 和 AEL 中。在这两种操作模式下，离子膜上的固定电荷会通过静电排斥（Donnan排斥）限制共离子（与固定电荷带相同电荷的离子）通过 BPM。相反，反离子（电荷与固定电荷相反的离子）则会被选择性地分隔和传输。BPM 能够控制和维持不同的局部化学环境，并通过外加电压驱动化学物种的解离或形成，从而实现化学势梯度和电势梯度的相互转换，使 BPM 成为电化学应用的独特解决方案。

自 1956 年发明以来，BPM 已被用于食品工业的小规模流程以及酸和碱的生产。BPM 还被证明可用于氯碱工艺和其他需要 pH 值控制和离子选择性的电化学装置。然而，由于离子聚合物的改进、低成本可再生能源的出现，以及人们日益认识到控制局部反应环境以提高选择性、效率和成本的价值，过去十年中，BPM 技术又有了新的发展。此外，先进界面催化剂的开发大大降低了 BPM 的能源需求，而长期以来，BPM 的能源需求一直是阻碍其工业化应用的重要成本因素，最近的示范显示，即使在接近 1 A cm-2 的高电流密度下，其性能也接近热力学最小值。然而，利用工程方法优化 BPM 系统的机会尚未得到开发。从纳米催化剂层内的解离-重组动力学，到中尺度离子传输和材料降解的有效管理，再到集成组件的宏观优化，多尺度的理解有助于将材料和界面的特性与 BPM 系统的性能联系起来（图 1b）。

在本综述中，作者将介绍 BPM 开发所面临的挑战和机遇。作者简要讨论了离子聚合物的物理化学特性。接下来，将从热力学、传输现象和化学动力学的角度讨论 BPM 物理学，提出结构-性能关系，为 BPM 的开发以及将其集成到电池和反应器中提供指导。这些原则为三种新兴 BPM 应用的性能提供了背景：(1) 水电解和二氧化碳还原 (CO2R)，(2) 流动电池和燃料电池，以及 (3) 环境修复。此外，还讨论了目前大规模部署 BPM 所面临的挑战，最后展望了化学工程的机遇，以帮助提高 BPM 系统的耐用性、性能和规模。