第一作者：Justin C. Bui

通讯作者：Adam Z. Weber,Justin C. Bui

通讯单位：劳伦斯伯克利国家实验室，加州大学伯克利分校

论文速览

双极膜（BPMs）能够在电化学电池中控制离子浓度和通量，适用于广泛的应用领域。

本论文深入探讨了双极膜（BPMs）在电化学过程中的多尺度物理特性，阐述了BPMs的设计原理，以推动高级BPMs的发展。双极膜由两层带有固定电荷的离子导电聚合物（离子体）组成，中间通常有一层催化剂层（CL）。BPMs能够在电化学系统中控制离子浓度和通量，适用于多种应用场景。

文章描述了BPMs的化学、结构和物理特性，并将其与电化学工程中的热力学、传输现象和化学动力学联系起来，这些相互作用产生了结构-性质-性能关系，为设计具有高选择性、耐久性和电压效率的BPMs提供了标准。本文还讨论了BPMs在能量转换或存储、环境修复等新兴应用中的性能折衷，并展望了可持续电化学过程中下一代BPMs的发展。

图文导读

图1：BPMs在正向和反向偏置下的操作模式，以及AEL（阴离子交换层）、CL（催化剂层）和CEL（阳离子交换层）的化学结构。

图2：BPMs中的热力学、传输现象和动力学概述。

图3：BPMs的极化曲线和在不同物理现象下的工作区域。

图4：BPMs性能折衷讨论。

注：以上为论文中部分图表。

总结展望

本论文的亮点在于对BPMs在电化学过程中的多尺度物理特性进行了深入分析，并提出了设计高选择性、耐久性和电压效率BPMs的原则。研究通过连接BPMs中的基本物理现象与器件级性能和工程，旨在促进下一代BPMs的发展，以实现可持续的电化学过程。

论文中的数据表明，通过优化BPMs的结构和材料，可以显著提高其在能量转换或存储、环境修复等应用中的性能。此外，论文还讨论了BPMs面临的挑战，包括在实际过程流中管理杂质、提高材料耐久性和反应器稳定性，以及降低生产成本。

未来的研究将需要进一步改进BPMs的多个方面，包括热力学和传输现象的耦合、界面工程、新型离子导电聚合物的开发，以及技术经济分析。

文献信息

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

期刊：Nature Chemical Engineering