journal article·2017-11-10Open access

Ionic Processes in Water Electrolysis: The Role of Ion-Selective Membranes

S. Z. Oener, S. Ardo, S. W. Boettcher

ACS Energy Letters· Volume 2· Issue 11

Abstract

Ionic separation and recombination processes in water electrolysis and fuel cell devices are of equal importance as the electron transfer processes that occur at the electrode surfaces. We illustrate the basic thermodynamic concepts governing the flow of ions in electrolyzer and fuel cell systems and the effects of pH gradients on the electrochemical phenomena. Particularly, we focus on the use of bipolar membranes, which are composed of anion- and cation-selective membranes enabling operation with different pH environments at the anode versus the cathode. The use of bipolar membranes thus broadens the materials’ availability and could enable low-cost electrolysis systems that operate at very high efficiency. We end by discussing different materials and highlighting key gaps needed to realize such a system.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Electrocatalysts for Energy Conversion · Fuel Cells and Related Materials · Advanced battery technologies research

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Chemistry and Biochemistry, University of Oregon, Eugene, Oregon 97403, United States

Funding

Research Corporation for Science Advancement · Alfred P. Sloan Foundation · Camille and Henry Dreyfus Foundation · National Science Foundation

References (100+)

Show source-provided references
1. 10.1126/science.aad192010.1126/science.aad1920 ↗
2. 10.1098/rsta.2016.040010.1098/rsta.2016.0400 ↗
3. 10.1557/mrs2007.16810.1557/mrs2007.168 ↗
4. 10.1093/nsr/nwv02310.1093/nsr/nwv023 ↗
5. 10.1002/cctc.20140286410.1002/cctc.201402864 ↗
6. 10.1038/nchem.224510.1038/nchem.2245 ↗
7. 10.1039/C5SC02910D10.1039/C5SC02910D ↗
8. 10.1103/PhysRevLett.99.01610510.1103/PhysRevLett.99.016105 ↗
9. 10.1038/nchem.222610.1038/nchem.2226 ↗
10. 10.1002/aenm.20160127510.1002/aenm.201601275 ↗
11. 10.1021/ja510442p10.1021/ja510442p ↗
12. 10.1038/nmat473810.1038/nmat4738 ↗
13. 10.1038/s41570-016-000310.1038/s41570-016-0003 ↗
14. 10.1039/C6TA08075H10.1039/C6TA08075H ↗
15. 10.1021/acscatal.6b0247910.1021/acscatal.6b02479 ↗
16. 10.1038/natrevmats.2016.910.1038/natrevmats.2016.9 ↗
17. 10.1126/science.aad499810.1126/science.aad4998 ↗
18. 10.1039/C4CS00470A10.1039/C4CS00470A ↗
19. 10.1039/C4EE00440J10.1039/C4EE00440J ↗
20. 10.1021/ja502379c10.1021/ja502379c ↗
21. 10.1021/acscatal.5b0292410.1021/acscatal.5b02924 ↗
22. 10.1021/acs.chemmater.5b0314810.1021/acs.chemmater.5b03148 ↗
23. 10.1038/nmat288310.1038/nmat2883 ↗
24. 10.1038/nmat448110.1038/nmat4481 ↗
25. 10.1039/c3cp50175b10.1039/c3cp50175b ↗
26. 10.1021/acs.chemrev.6b0015910.1021/acs.chemrev.6b00159 ↗
27. 10.1039/C3EE43807D10.1039/C3EE43807D ↗
28. 10.1039/C5EE01786F10.1039/C5EE01786F ↗
29. 10.1039/C5EE00457H10.1039/C5EE00457H ↗
30. 10.1039/C7EE00294G10.1039/C7EE00294G ↗
31. 10.1002/anie.20151046310.1002/anie.201510463 ↗
32. 10.1038/nenergy.2017.8710.1038/nenergy.2017.87 ↗
33. 10.1021/acsenergylett.6b0031710.1021/acsenergylett.6b00317 ↗
34. 10.1002/aenm.20167007710.1002/aenm.201670077 ↗
35. 10.1002/aenm.20160010010.1002/aenm.201600100 ↗
36. 10.1039/C5TA06315A10.1039/C5TA06315A ↗
37. 10.1149/2.0201604jes10.1149/2.0201604jes ↗
38. 10.1166/rase.2014.107510.1166/rase.2014.1075 ↗
39. White, W.; Sanborn, C. D.; Fabian, D. M.; Ardo, S.Conversion of Visible Light into Ionic Power Using Photoacid-Dye-Sensitized Bipolar Ion-Exchange Membranes.Joule 2017, Just Accepted10.1016/j.joule.2017.10.015 ↗
40. 10.1021/acsenergylett.6b0047510.1021/acsenergylett.6b00475 ↗
41. O’Hayre R. · 201610.1002/9781119191766 ↗
42. 10.1149/2.1041712jes10.1149/2.1041712jes ↗
43. 10.1149/2.0941614jes10.1149/2.0941614jes ↗
44. 10.1021/jp903252u10.1021/jp903252u ↗
45. 10.1351/pac19865807095510.1351/pac198658070955 ↗
46. Wuerfel P. · 2016
47. Bard A. J. · 2001
48. 10.1021/jp903275t10.1021/jp903275t ↗
49. 10.1002/anie.20110488310.1002/anie.201104883 ↗
50. 10.1021/ef501977k10.1021/ef501977k ↗
51. 10.1155/2012/90695210.1155/2012/906952 ↗
52. Nikonenko V. V. · 2012 · 26710.1002/9781118165850.ch9 ↗
53. Tanaka Y. · 2015
54. 10.1016/0376-7388(94)00297-C10.1016/0376-7388(94)00297-C ↗
55. 10.1038/nnano.2009.33210.1038/nnano.2009.332 ↗
56. 10.1021/nl050493b10.1021/nl050493b ↗
57. 10.1002/9780470622636.ch510.1002/9780470622636.ch5 ↗
58. 10.1103/PhysRevLett.95.11610410.1103/PhysRevLett.95.116104 ↗
59. 10.1063/1.169914810.1063/1.1699148 ↗
60. 10.1021/jp062719k10.1021/jp062719k ↗
61. 10.1016/0022-0728(96)04690-610.1016/0022-0728(96)04690-6 ↗
62. 10.1103/PhysRevLett.112.25830110.1103/PhysRevLett.112.258301 ↗
63. 10.1021/jp508862t10.1021/jp508862t ↗
64. 10.1016/j.cplett.2016.10.06210.1016/j.cplett.2016.10.062 ↗
65. 10.1021/ja104670410.1021/ja1046704 ↗
66. 10.1103/PhysRevLett.90.10590210.1103/PhysRevLett.90.105902 ↗
67. 10.1016/j.memsci.2014.05.04610.1016/j.memsci.2014.05.046 ↗
68. 10.1016/j.jcis.2004.11.01710.1016/j.jcis.2004.11.017 ↗
69. 10.1016/S0376-7388(00)00632-310.1016/S0376-7388(00)00632-3 ↗
70. 10.1021/jp020245t10.1021/jp020245t ↗
71. 10.1038/nmat355410.1038/nmat3554 ↗
72. 10.1039/c1ee01203g10.1039/c1ee01203g ↗
73. 10.1039/c1ee01028j10.1039/c1ee01028j ↗
74. 10.1039/c3ee42143k10.1039/c3ee42143k ↗
75. 10.1016/j.jpowsour.2003.09.01310.1016/j.jpowsour.2003.09.013 ↗
76. Daimler. Under the microscope: Mercedes-Benz GLC F-CELL.http://media.daimler.com/marsMediaSite/en/instance/ko.xhtml?oid=11111320. (accessed Oct 9, 2017) .
77. 10.1002/celc.20150042510.1002/celc.201500425 ↗
78. 10.1016/j.cattod.2015.08.01410.1016/j.cattod.2015.08.014 ↗
79. 10.1016/j.jelechem.2016.04.03310.1016/j.jelechem.2016.04.033 ↗
80. 10.1016/j.jelechem.2016.05.01510.1016/j.jelechem.2016.05.015 ↗
81. 10.1016/j.nanoen.2016.03.00510.1016/j.nanoen.2016.03.005 ↗
82. 10.1149/2.0981603jes10.1149/2.0981603jes ↗
83. 10.1039/C4EE01303D10.1039/C4EE01303D ↗
84. 10.1016/j.memsci.2011.04.04310.1016/j.memsci.2011.04.043 ↗
85. Arges C. G. · Electrochem. Soc. Interface · 2010 · 31 · 3110.1149/2.F03102if ↗
86. 10.1002/anie.20110488310.1002/anie.201104883 ↗
87. 10.1002/anie.20170322710.1002/anie.201703227 ↗
88. 10.1002/cssc.20140228810.1002/cssc.201402288 ↗
89. 10.1021/acsenergylett.6b0055710.1021/acsenergylett.6b00557 ↗
90. 10.1002/cssc.20140253510.1002/cssc.201402535 ↗
91. 10.1149/1.278110310.1149/1.2781103 ↗
92. 10.1039/c3cp52150h10.1039/c3cp52150h ↗
93. 10.1016/j.jpowsour.2015.08.10410.1016/j.jpowsour.2015.08.104 ↗
94. 10.1016/0360-5442(83)90103-210.1016/0360-5442(83)90103-2 ↗
95. 10.1149/1.185105410.1149/1.1851054 ↗
96. 10.1002/fuce.20130021510.1002/fuce.201300215 ↗
97. 10.1016/j.electacta.2006.03.00810.1016/j.electacta.2006.03.008 ↗
98. 10.1063/1.487590410.1063/1.4875904 ↗
99. Koswatta, P.; Boccard, M.; Holman, Z.Carrier-Selective Contacts in Silicon Solar Cells.Photovolt. Spec. Conf. (PVSC), 2015 IEEE 42nd; 2015; pp1–4.10.1109/PVSC.2015.7356143 ↗
100. 10.1016/S0376-7388(00)81360-510.1016/S0376-7388(00)81360-5 ↗