[論文レビュー] Chapter: Energy conversion at water-solid interfaces using electrokinetic effects

Cecilia Herrero, Aymeric Allemand+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ナノフラウド系における電気渇下効果を用いた水-固体界面におけるエネルギー変換の理論的枠組みを提示する。線形非平衡熱力学を用いて、塩濃度、温度、電気的ポテンシャルなどの熱力学勾配を、流体力学的フラックス、電気的フラックス、熱フラックスといった結合フラックスと結びつける。主な貢献は、効率を最大化するための最適設計パラメータ（例えば、低塩濃度、小径チャネル、低熱伝導性・低電気伝導性）を同定することにある。

ABSTRACT

Our Society is in high need of alternatives to fossil fuels. Nanoporous systems filled with aqueous electrolytes show great promises for harvesting the osmotic energy of sea water or waste heat. At the core of energy conversion in such nanofluidic systems lie the so-called electrokinetic effects, coupling thermodynamic gradients and fluxes of different types (hydrodynamical, electrical, chemical, thermal) at electrified water-solid interfaces. This chapter starts by introducing the framework of linear irreversible thermodynamics, and how the latter can be used to describe the direct and coupled responses of a fluidic system, providing general relations between the different response coefficients. The chapter then focuses on the so-called osmotic flows, generated by non-hydrodynamic actuation at liquid-solid interfaces, and illustrate how the induced fluxes can be related to the microscopic properties of the water-solid interface. Finally, the chapter moves to electricity production from non-electric actuation, and discusses in particular the performance of nanofluidic systems for the harvesting of osmotic energy and waste heat.

研究の動機と目的

• 電気渇下効果を用いた水-固体界面におけるエネルギー変換の理論的基盤を確立すること。
• ナノフラウド系における浸透圧および熱エネルギー回収の効率を支配する主要な物理的パラメータを同定すること。
• 微視的界面特性（例：電気二重層構造）と巨視的輸送応答を橋渡しすること。
• ナノチャネルにおける電気渇下応答と電気伝導度のバランスを最適化することで、システム性能を向上させること。

提案手法

• 線形非平衡熱力学を適用し、熱力学勾配によって駆動される結合フラックス（流体力学的、電気的、熱的）をモデル化する。
• ギブズの式と一般化された力（アフィニティ）を用いて、エネルギー、体積、粒子、電荷輸送のための熱力学的駆動ポテンシャルを定義する。
• 微視的界面特性から応答係数（例：電気渇下移動度、ストリーミング電流、セーベック係数）を導出する。
• 帯電界面における静電的または熱的勾配といった非流体力的力によって誘発される浸透流を分析する。
• 次元なしの性能指数 $ZT = M_{\rm te}^2 / (\sigma k T)$ を用いて熱電性能を評価し、界面輸送係数と関連付ける。
• 分子スケールの閉じ込めにおいて連続体モデルが破綻することを考慮し、統計力学的および量子レベルの記述を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフラウド系において、線形非平衡熱力学を用いて電気渇下効果を体系的に記述する方法は何か？
• RQ2 水-固体界面における浸透流を強化する支配的微視的要因は何か？
• RQ3 狭いチャネルにおける電気二重層（EDL）の重なりがエネルギー変換効率に与える影響は何か？
• RQ4 ナノフラウド熱電システムにおける $ZT$ を最大化するための最適な材料および幾何的パラメータは何か？
• RQ5 分子スケールで顕在する新規現象は、界面輸送の古典的連続体記述にどのような挑戦をもたらすか？

主な発見

• ナノフラウド系における電気渇下効果は、電気二重層（EDL）を介して、帯電界面における熱力学勾配とフラックスの結合によって生じる。
• 浸透流は、非流体力的駆動（例：静電的または熱的勾配）によって生成され、その大きさはEDL構造と表面スリップに依存する。
• セーベック係数 $S_e = M_{\rm te}/(\sigma T)$ は、熱電応答を熱電係数 $M_{\rm te}$ と関連づける。$M_{\rm te}$ は界面特性に依存する。
• $ZT$ を最大化するには、特に低塩濃度・10 nm未満のチャネルにおいて、電気的および熱的伝導度を最小限に抑える必要がある。
• 狭いチャネルにおけるEDLの重なりは、薄いEDL近似を無効にし、正確な輸送係数予測のための拡張解析モデルの必要性を生じる。
• 分子スケールの閉じ込めでは連続体モデルが失敗し、量子力学的および統計力学的手法を用いることで、顕在する界面現象を捉える必要がある。