Nature Energy：固体电解质界面离子溶剂化的动力学研究

第一作者：Carlos G. Rodellar

通讯作者：Sebastian Z. Oener

通讯单位：马克斯·普朗克协会

成果速览

本研究深入探讨了在聚合物双极膜和电解质-金属界面上的水解离和离子溶剂化动力学。研究发现，外加偏压与界面电容的分散有关，这种关系依赖于激活熵和活化焓之间的偏差。

研究结果表明，OH⁻的溶剂化动力学比H⁺慢，并且溶剂化动力学的特性与催化剂结构无关。这一发现归因于诱导改变水界面熵的多余电荷的普遍需求。

图文导读

图1：展示了在不同催化剂负载下，双极膜(BPM)水解离和水形成过程中的电流-电压(I-V)曲线。通过Arrhenius分析，可以得到不同TiO2负载和电势下的活化熵和活化能。

图2：揭示了在相同偏压下，不同金属氧化物之间的活化能和指数因子之间的补偿关系。随着催化剂负载的减少，界面电容对活化熵的影响变得更加明显。

图3：展示了界面电容与活化能和指数因子之间的关系。在不同的电势下，界面电容的变化与活化能和指数因子的变化密切相关。

图4：通过多物理模型和实验极化曲线的比较，验证了模型的有效性。模型基于常规的Nernst-Planck方程和Arrhenius速率定律，考虑了偏压依赖的指数因子。

图5：比较了在不同界面上离子溶剂化的活化能和指数因子的关系。结果表明，不同的界面上存在相似的偏差依赖性，这与电解质离子对电容和溶剂化动力学的影响有关。

亮点介绍

1. 揭示了在双极膜和电解质-金属界面上，离子溶剂化动力学的偏差依赖性，为理解能量和化学转换技术中的关键过程提供了新的视角。

2. 通过实验和模拟相结合的方法，首次展示了外加偏压如何通过界面电容影响离子溶剂化的活化熵和活化焓。

3. 研究结果表明，OH⁻的溶剂化动力学普遍慢于H⁺，这一发现对于设计高效的催化剂和膜材料具有重要意义。

4. 提出了一种新的多物理溶剂化模型，该模型能够准确预测双极膜中水解离和水形成的动力学行为，为相关技术的发展提供了理论基础。

有限元模拟

在本论文中，有限元模拟（Finite Element Method, FEM）被用来深入研究双极膜（BPM）中的水解离（WD）和水形成（WF）过程。通过使用COMSOL Multiphysics软件，研究者们建立了一个多物理模型，该模型基于常规的Nernst-Planck方程和Arrhenius速率定律来描述离子的传输和反应动力学。

1. 模型构建：模拟将BPM-膜电极组件（MEA）分为三个域：阳离子交换层（CEL）、BPM结合处和阴离子交换层（AEL）。每个域都有其特定的物理和化学特性，这些特性通过有限元方法进行求解。

2. 物理过程描述：模型考虑了离子的生成和消耗，以及由电场驱动的离子迁移。通过解决质量守恒方程和Poisson方程，模拟能够捕捉到离子浓度和电势的空间分布。

3. 边界条件：在模拟中，研究者为CEL和AEL的外部边界施加了固定浓度的边界条件，同时为电势设置了适当的电位值，以反映实验中的偏压条件。

4. 参数选择：模拟使用了一系列的参数，包括离子的扩散系数、膜的固定电荷密度、介电常数等，这些参数对于准确模拟BPM的行为至关重要。

5. 模拟结果：通过有限元模拟，研究者能够预测在不同偏压和温度条件下的BPM性能，包括水解离和水形成的电流密度，以及界面电容的变化。

有限元模拟为理解双极膜中的离子溶剂化动力学提供了一个强大的工具，使得研究者能够在没有进行大量实验的情况下，预测和优化BPM的性能。通过这种方法，研究者能够更好地理解离子在BPM界面上的行为，为改进和设计新型能源转换技术提供了理论基础。

文献信息

标题：Ion solvation kinetics in bipolar membranes and at electrolyte–metal interfaces

期刊：Nature Energy

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Nature Energy：固体电解质界面离子溶剂化的动力学研究

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