“膜”法！中科大「国家杰青」徐铜文，Nature子刊！实现耐久纯水电解！

膜技术前沿

Frontiers of membrane technology

双极膜(BPM)电解槽能够进行连续的水解离产生质子和氢氧化物离子。所产生的pH梯度传统上可以应用于酸/碱合成、水处理和资源回收等。对于用于水分解的商业BPM，主要存在于三个方面的挑战性问题：1.大的过电位驱动界面层的水分解；2.通过阴离子-阳离子交换层(AEL-CEL)的水和离子传输限制；3.由AEL|CEL界面问题(起泡和分层)引起的长期稳定性不足。为了降低BPM界面层的水分解过电位，在开发高效的催化剂方面已经做出了大量的努力。

此外，考虑到在高电流密度下长期运行的工业级水电解方案要求，BPM的传质限制和界面问题仍然需要从膜层工程的角度加以解决。

近日，中国科学技术大学徐铜文和吴亮等为了制造一个高性能和长期稳定的BPM以促进新兴的BPMEA基电解槽的应用，首先对BPM的极化和传质行为进行了建模和数值模拟，旨在从理论上指导膜层工程。在此基础上，研究人员采用超声喷涂的方法，选择市售的SnO2纳米粒子作为水解催化剂，制备了具有相同骨架的AEL和CEL组成的BPM。

得益于单极膜层的高离子电导率、尺寸稳定性和机械强度，一个厚度为20 μm的中试规模(600 cm2)的 BPM在1000 mA cm-2的高电流密度下显示了0.95 V的超低跨膜电压。

值得注意的是，尽管其超薄膜厚度，但共离子交叉得到很好的缓解，与商业Neosepta BP1 (2.71 mA cm-2，约220 μm)和FumaTech FBM (7.81 mA cm-2，约120 μm)相比，相对较低的Ilim1值(2.71 mA cm-2，20 μm)。从高度兼容的AEL和CEL衍生的紧密集成界面使得BPM能够连续驱动水分解超过800小时而没有发生性能下降。

BPM电渗析实验表明，在酸碱生成速率和电流效率方面，定制BPM比商业BPM具有优越性。用制造的BPM组装的流动池电解槽在1000 mA cm-2下呈现2.68 V的纯水电解总电压，仅为商用Neosepta BP1 (5.40 V)的一半。

更重要的是，这种BPM电解槽在动态开关电流密度(300-500 mA cm-2)下，在超过1000小时的时间内以接近100%的法拉第效率实现连续的高纯度H2生产。

Tailoring high-performance bipolar membrane for durable pure water electrolysis. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-54514-5

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