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A chemically interlocked bipolar membrane achieving stable water dissociation for high output ammonia electrosynthesis
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2023-07-18 , DOI: 10.1039/d3ee00885a Ziang Xu 1 , Yiwen Liao 1 , Maobin Pang 1 , Lei Wan 1 , Qin Xu 1 , Yihan Zhen 1 , Baoguo Wang 1
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2023-07-18 , DOI: 10.1039/d3ee00885a Ziang Xu 1 , Yiwen Liao 1 , Maobin Pang 1 , Lei Wan 1 , Qin Xu 1 , Yihan Zhen 1 , Baoguo Wang 1
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Water dissociation (WD) with bipolar membranes (BMs) is becoming the most effective solution for optimizing pH or ionic species incompatibility of anolyte/catholyte in electrochemical devices. However, available BMs always suffer from sluggish WD kinetics and structural delamination, thus hardly satisfying the needs of emerging energy/mass conversion devices. Based on numerical simulations, we propose here a stepwise strategy to construct a BM with a stable C–C covalent interlocking interlayer (CIBM) to solve the dilemma, through which physical binding strength and ionic transportation rate are exponentially enhanced. Due to this covalent design, an unprecedented WD performance at high current (1.17 V at 1000 mA cm−2) and the longest stability (1100 hours) can be achieved. The introduction of covalent interfaces also successfully realized a continuous BM NH3 electrosynthesis with high efficiency, low energy consumption and state-of-the-art yield (70.9 mg cm−2 h−1) from 2000 ppm NO3−, providing innovative design principles for emerging ampere-level BM electrochemical devices.
中文翻译：
化学联锁双极膜实现稳定的水离解，用于高输出氨电合成
使用双极性膜 (BM) 的水离解 (WD) 正在成为优化电化学装置中阳极电解液/阴极电解液的 pH 值或离子种类不相容性的最有效解决方案。然而，现有的BM总是受到WD动力学缓慢和结构分层的困扰，因此很难满足新兴能量/质量转换器件的需求。基于数值模拟，我们提出了一种逐步构建具有稳定的C-C共价互锁夹层（CIBM）的BM来解决这一困境，通过该策略，物理结合强度和离子传输速率呈指数级增强。由于这种共价设计，在高电流（1000 mA cm -2时为 1.17 V）下具有前所未有的 WD 性能）并且可以实现最长的稳定性（1100小时）。共价界面的引入还成功实现了从2000 ppm NO 3 -开始连续BM NH 3电合成，具有高效率、低能耗和最先进的产率（70.9 mg cm -2 h -1），提供了创新设计新兴安培级 BM 电化学装置的原理。
更新日期：2023-07-18
中文翻译：
化学联锁双极膜实现稳定的水离解，用于高输出氨电合成
使用双极性膜 (BM) 的水离解 (WD) 正在成为优化电化学装置中阳极电解液/阴极电解液的 pH 值或离子种类不相容性的最有效解决方案。然而，现有的BM总是受到WD动力学缓慢和结构分层的困扰，因此很难满足新兴能量/质量转换器件的需求。基于数值模拟，我们提出了一种逐步构建具有稳定的C-C共价互锁夹层（CIBM）的BM来解决这一困境，通过该策略，物理结合强度和离子传输速率呈指数级增强。由于这种共价设计，在高电流（1000 mA cm -2时为 1.17 V）下具有前所未有的 WD 性能）并且可以实现最长的稳定性（1100小时）。共价界面的引入还成功实现了从2000 ppm NO 3 -开始连续BM NH 3电合成，具有高效率、低能耗和最先进的产率（70.9 mg cm -2 h -1），提供了创新设计新兴安培级 BM 电化学装置的原理。
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