Catalytic Proton–Hydroxide Recombination for Forward-Bias Bipolar Membranes

催化作用 重组 电化学 离子键合 材料科学 氧化物 电化学梯度 偏压 化学物理 氧化还原 化学 离子 无机化学 电压 物理化学 物理 电极 有机化学 基因 量子力学 冶金 生物化学
作者
James B. Mitchell,Lihaokun Chen,Kurt Langworthy,Kevin Fabrizio,Shannon W. Boettcher
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:7 (11): 3967-3973 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.2c02043
摘要

Bipolar membranes (BPMs) can generate steady-state pH gradients in electrochemical cells, enabling half-reactions to occur in different pH environments, and are thus of broad interest. Forward-bias BPMs further enable new approaches to fuel cells, redox-flow batteries, and CO2 electrolyzers. In forward bias, the gradient in electrochemical potential drives ionic charge carriers toward the bipolar junction where they can recombine. We use a H2-pump electrochemical cell to study H+/OH– recombination at the bipolar junction. We discover that metal-oxide nanoparticles catalyze the recombination reaction in the bipolar junction under forward bias and find evidence that H+/OH– recombination occurs via a surface mechanism on the oxide catalyst. We propose a rate equation to describe the catalytic H+/OH– recombination mechanism, supported by numerical simulations. This work thus elucidates materials-design strategies for recombination catalysts to advance forward-bias BPM technologies.
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