퍼름-선택성 막을 통한 과전류(overlimiting current)는 전기삼투/전기삼투학(electrokinetics)의 근본적 발전뿐만 아니라 전기투석, 연료전지 등 에너지/환경 응용을 위한 목적으로도 활발히 연구되어 왔다. 특히, 이러한 응용은 막을 통한 효율적인 물질수송을 요구하기 때문에 과전류 향상을 위한 다양한 전략들이 보고되었다. 본 연구에서는 외부에서 제어할 수 있는 비용 효율이 높은 매개변수 중 하나인 펄스 전기장을 이용하여, 과전류 밀도(overlimiting current density) 향상에 관해 in operando 시각화와 엄밀한 수치 연구를 제시하였다. 우리는 전류 밀도가 펄스 주파수의 함수로서 피크 값을 갖는다는 점을 명확히 입증하였고, 이는 농도 프로파일과 확산 이완 시간([small tau, Greek, tilde]diff) 사이의 상관관계를 시사한다고 제안한다. 펄스 주파수는 ([small tau, Greek, tilde]diff)-1과 유사한 값으로 선택되었으며, 이때 잔류 전류 경로(remnant current paths)가 빠른 이온 수송을 돕기 때문에 펄스의 off-state에서도 농도 프로파일(즉, 형성된 전류 경로)이 유지되었다. 본 연구에서 제시한 근본적 증거는 더 높은 물질수송 효율을 위한 퍼름-선택성 막 시스템의 전략적 설계를 제공할 것이다.

레독스 플로우 배터리(Redox flow batteries, RFBs)는 대규모 에너지 저장 기술로서 매력적이며, 지난 수십 년 동안 성능 향상에서 괄목할 만한 진전을 이루어 왔다. 그럼에도 불구하고 전기화학과 유체역학이 동시에 배터리 성능을 좌우하는 독특한 작동 메커니즘으로 인해, 반응 메커니즘에 대한 심층적 이해는 여전히 도전적인 과제로 남아 있다. 따라서 RFB 시스템에서 실제로 일어나는 정밀한 반응을 규명하기 위해서는, 전기동역학적 현상을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주는 적절한 분석 기법이 필수적이다. 본 연구에서는 막이 없는 마이크로플루이딕 플랫폼, 즉 막-프리(membrane-free) 마이크로플루이딕 RFB를 이용하여 RFB의 인(operando) 시각화 및 분석적 연구를 수행한 결과를 보고한다. 이 플랫폼을 사용하여, 최근 고성능 다중 레독스 유기 분자로 제안된 5,10-bis(2-methoxyethyl)-5,10-dihydrophenazine (BMEPZ) 양극액(catholyte)에 대해 전기동역학적 조사를 수행하였다. BMEPZ의 고유한 색도(colorimetric) 특성을 활용함으로써, 인(operando) 시각화를 통해 다중 레독스 반응 동안 전하 및 물질 전달 동역학 측면에서 내재된 전기화학적 특성을 규명하였으며, 이는 전기화학 시스템에서 물리화학적 유체역학의 이론적 연구를 가능하게 한다. 또한 RFB에서의 전기동역학적 한계에 대한 통찰을 바탕으로, 고갈(depletion) 영역의 범위를 억제할 수 있는 전극 형상 설계의 타당성을 검증하였고, 그 결과 셀 성능이 향상됨을 확인하였다.