High-performance bipolar membrane for electrochemical water electrolysis

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作者
Zijuan Ge,Muhammad A. Shehzad,Xiaoqi Yang,Geng Li,Huijuan Wang,Weisheng Yu,Xian Liang,Xiaolin Ge,Liang Wu,Tongwen Xu
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:656: 120660-120660 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.120660
摘要

A bipolar membrane (BPM) enables the dissociation of water into protons and hydroxide ions, which in-situ maintains a steady-state pH difference in electrochemical water electrolyzers for optimum electro-kinetics of the anode and cathode electrocatalysts. However, instability and high overpotential requirement of the commercial Fumasep BPMs to drive water dissociation (η WD > 100 mV at 20 mA cm −2 ) are major challenges to successfully applying them in electrochemical devices. To circumvent these membrane issues, we present the electrostatic self-assembly strategy to construct Fe(OH) 3 colloids-based catalytic layer (FCL), which enhances the internal electric field, necessary to boost the polarization process of water molecules. Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) also confirms the improved work function (WF) of the FCL to establish a stronger built-in electric field for a fast polarization process during water dissociation. Consequently, the fabricated Fe(OH) 3 colloids-based BPMs (FCBMs) require very little η WD (29 mV) than commercial Fumasep BPM (η WD : 44 mV) at 20 mA cm −2 , which indicates the energy-efficient operability of the FCBMs in electrochemical water electrolyzers. This work demonstrates an effective route to fabricate stable and energy-efficient BPMs, ready to install in advanced acid-alkaline water electrolysis systems for significantly enhanced hydrogen generation efficiency. A bipolar membrane with a strong built-in electric field leads to a low overpotential to drive water dissociation in the membrane-integrated water electrolyzer. •The catalytic layer (CL) has been constructed via electrostatic interaction. • The affinity between the layers has been improved via ultrasonic spraying strategy. • The CL establishes a stronger electric field to boost water polarization process. • The Fe(OH) 3 colloids-based BPMs allow a very low η WD (29 mV) at 20 mA cm −2 .
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