[論文レビュー] Charged Obstacles Augment Electrokinetic Energy Conversion Efficiency

Kahali, Tanoy, Antarip Poddar+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、狭い流体チャネルに帯電した障害物を導入することで、ストリーミング電位を制御することにより、電気力学的エネルギー変換効率が著しく向上することを示している。最適な性能は、チャネル高さの10%を超える半径と、電荷密度比が9以上の規則的な障害物パターンを用いることで達成され、最大で18%の効率が得られ、スリップ効果および有限イオンサイズ効果を考慮した場合、平面型チャネルを約14ポイント上回る。

ABSTRACT

In the present study, we delineate the effect of introducing flow obstructions on streaming potential and energy conversion efficiency in a narrow fluidic confinement taking into consideration the wall hydrodynamic slip, finite ionic size, and local permittivity variation effects. We consider two types of the geometric pattern of flow obstacle between which regular pattern turns out to be more effective. It is observed that, implementing structured flow obstacles of radii greater than 10% of channel height and charge density ratio (charge density of flow obstacle surface to that of channel wall) greater than or equal to 9 renders significant enhancement of power generation efficiency. On the other hand, it is effective to operate at a charge density ratio~1 for obstacles radii less than or equal to 10% of channel height. An effective normalized pitch length of magnitude 0.6 or above has to be maintained in order to obtain optimum energy conversion efficiency. We found that implementation of charged flow obstacle causes a significant enhancement of energy conversion efficiency (~18% with regular pattern) comparing to planar slit channel (~4%) without considering wall hydrodynamic slip and steric effects. Introducing finite ionic size and wall hydrodynamic slip effect, pertinent to flows in narrow confinement, leads to further enhancement in electrokinetic energy conversion efficiency.

研究の動機と目的

• ナノスケールの流体系における流れの障害物が電気力学的エネルギー変換に与える影響を調査すること。
• 壁面の流体動的スリップ、有限イオンサイズ、局所的誘電率の変動がエネルギー変換効率に与える影響を分析すること。
• 構造化された障害物を用いて、効率を最大化するための最適な幾何学的および電気的パrameterを特定すること。
• ストリーミング電位および出力電力の向上において、規則的パターンと不規則パターンの障害物の有効性を比較すること。

提案手法

• ナビエ-ストークス方程式およびポアソン-ニェルンスト-プランク方程式を用いて、帯電障害物を有するスリットチャネル内の電気力学的流れをモデル化すること。
• ナビエスリップ境界条件を用いて、ナノスケールの閉じ込め効果を反映する壁面の流体動的スリップを組み込むこと。
• 空間効果を含む修正ポアソン-ボルツマン方程式を用いて、有限イオンサイズの影響を考慮すること。
• 計算シミュレーションを用いて、さまざまな障害物の幾何形状および電荷密度におけるストリーミング電位およびエネルギー変換効率を評価すること。
• 周期性の影響を評価するため、障害物間隔をチャネル高さで正規化した正規化ピッチ長を定義すること。
• 同一の流れおよび電気的条件下で、規則的および不規則な障害物パターンの性能を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 帯電障害物の導入が、狭い流体チャネル内のストリーミング電位およびエネルギー変換効率に与える影響は何か？
• RQ2 電気力学的エネルギー変換効率を最大化するための最適な障害物サイズおよび電荷密度比は何か？
• RQ3 壁面の流体動的スリップおよび有限イオンサイズが、障害物統合に起因する効率向上に与える影響は何か？
• RQ4 障害物アレイの周期性（ピッチ長）がエネルギー変換性能に顕著な影響を及ぼすか？
• RQ5 規則的パターンと不規則パターンのどちらが、より優れた効率向上を実現するか？

主な発見

• 規則的な帯電障害物の配置により、電気力学的エネルギー変換効率は最大で18%向上し、平面スリットチャネルの4%と比較して顕著な向上が得られた。
• チャネル高さの10%を超える半径と、電荷密度比が9以上の障害物が、最も高い効率向上をもたらした。
• チャネル高さの10%以下の半径の障害物では、電荷密度比が約1が最適であり、効率を最大化した。
• ピークエネルギー変換効率に到達するには、正規化ピッチ長が0.6以上である必要がある。
• 壁面の流体動的スリップおよび有限イオンサイズ効果を組み込むことで、理想化モデルの予測を上回る効率向上が達成された。
• スリップ、空間効果、および構造化された障害物の組み合わせにより、エネルギー変換性能に累積的な改善がもたらされた。