是什么驱动离子穿过聚合物膜

(光)电解槽、燃料电池和电池组需要离子交换膜来分离离子并实现所需的过程。聚合物膜(例如NAFION等合成化合物)特别有效，但它们不能降解。欧盟目前正在讨论禁止使用这些“永恒化学品”，开发合适的替代品将是一项重大挑战。因此，了解NAFION和其他现有聚合物膜为何如此有效至关重要。

HZB太阳能燃料研究所的MarcoFavaro博士领导的团队现已使用一种特殊类型的电解池对此进行了研究。在这里，膜位于外壁上并与液体电解质和气态外部环境接触。它可以充当阳极或阴极，具体取决于所施加电势的极性。

这种混合液-气电解槽被认为特别有利于CO2的电化学转化，因为它可以在气相中实现较高的CO2浓度，从而克服CO2在水溶液中溶解度差的问题。

在这项研究中，Favaro和他的团队使用了市售的离子交换膜，与水中的氯化钠(NaCl)等模型电解质接触。将水蒸气送入气相，水的分压接近其在室温下的蒸气压。为了分析钠离子和氯离子通过膜的迁移，他们在BESSYIIKMC-1光束线的SpAnTeX终端站使用了原位环境压力硬X射线光电子能谱(AP-HAXPES)。

“事实上，我们预计离子动力学是在施加电势的情况下由电解槽阳极和阴极之间产生的电场决定的，因此电迁移是主要驱动力，”MarcoFavaro说。

然而，数据分析表明并非如此：电迁移几乎不起作用;离子只是扩散穿过膜。可以使用扩散模型对数据进行完美的数值模拟。“我们的结论是，由于膜中存在的电离官能团介导的跳跃，离子在这些类型的电解槽中穿过聚合物膜。此外，由于水也通过聚合物扩散，因此离子也会被‘拖拽’”，法瓦罗解释道。

这些结果令人兴奋的原因有很多：这些类型的电解槽是一种将CO2转化为有价值的化学品的方法，而这些化学品只能从化石燃料中获得。了解这些设备的工作原理有助于经济脱碳。另一方面，作为这些细胞关键组成部分的离子交换膜本身也存在问题：欧盟可能很快就会禁止使用持久性化学品。

了解此类传输过程的相关驱动因素将有助于开发高效、耐用且环保的新型膜材料。Favaro现在打算在位于耶拿的新亥姆霍兹研究所HIPOLE推进该项目，该研究所将重点研究用于新能源技术的聚合物材料。

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