近日，上海大学理学院赵宏滨教授课题组在《化学工业与工程》期刊上发表了一篇最新综述，题目为《双极膜研究进展及氢能方向应用展望》。

全文速览：

燃料电池、电解水制氢等利用氢能的可再生能源转换技术在“双碳”目标进程中扮演着关键角色,双极膜燃料电池和双极膜电解水制氢是近十几年才提出的、以双极膜为电解质的新型电化学能源转换装置。该文从双极膜水解离机理出发,详细介绍双极膜的组成、界面层结构及制备工艺,并对双极膜在不同领域的应用进行了梳理和展望,其中主要着眼于双极膜在燃料电池和电解水制氢两大氢能领域的国内外研究进展,探索由双极膜结构带来的独特应用优势,提出关键问题和发展方向,总结绿色制氢发展的机遇和挑战。

本文亮点：

1. 介绍双极膜水解离原理、膜层复合工艺、制备工艺。

2. 双极膜应用在燃料电池和电解水制氢上的优势。

3. 双极膜在氢能方向应用发展的历程。

4. 双极膜在燃料电池和电解水制氢方向未来的研究方向与展望。

5. 双极膜在其他电化学领域上的应用。

图1  双极膜原理示意图

根据BPM反向偏压下水解离与正向偏压下水生成的特性，可将其用于多种电化学应用如燃料电池、电解水制氢、二氧化碳还原和液流电池等。

图2 双极膜制备工艺示意图

制备工艺对双极膜的厚度、机械强度、界面结构、离子交换容量等有很大的影响，制备双极膜的主要方法有热压法、黏合法、流延法、基膜改性法和静电纺丝法等。

图3 双极膜燃料电池

双极膜燃料电池阴、阳极反应在不同的化学环境下进行，提高电极反应的效率且阴极可使用非贵金属催化剂降低成本；界面层生成的水使其具有自增湿机制，简化燃料电池的水管理；H⁺和OH^-在界面层的消耗，推动了阴极ORR和阳极HOR的正向进行，进一步提高性能。

图4 双极膜电解水制氢

在膜两侧同时引入酸性和碱性的电解质，在水电解过程中，H⁺和OH^-不断地由界面层向膜外迁移，使双极膜两侧pH值梯度保持恒定，同时保证HER和OER效率的最大化：HER催化剂在低pH阴极中表现出更佳的活性，析氢速率快且可使用非贵金属催化剂或低载量贵金属催化剂；高pH值阳极可使用非贵金属催化剂、经济高效的镍、铁集流体和双极板降低成本。

挑战与展望：

由于双极膜独特的组成和结构, 使之在燃料电池和电解水制氢领域具有其他离子交换膜难以企及的优势。现有的一些挑战为：

1、 双极膜燃料电池的自增湿机制一方面简化了燃料电池的水管理，另一方面可能导致水淹和双极膜分层，除了提高双极膜本身性能, 膜电极的制备工艺等细节也需探索和研究。

2、 对于电解水领域，现有商业化的双极膜还不能提供足够的水解离动力学来实现高效节能的水分解，开发薄且高度不对称的双极膜将是一个研究方向。

相关论文发表在《化学工业与工程》上。文章的第一作者是上海大学硕士研究生姚欣昀，通讯作者为上海大学钱汇东教授和赵宏滨教授。

文献链接：Doi:10.13353/ j. issn.1004.9533.20240512