[論文レビュー] Significantly Enhanced Performance of Nanofluidic Osmotic Power Generation by Slipping Surfaces of Nanopores

Long Ma, Kabin Lin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 47被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、ナノポーラス表面における流体滑りを設計することで、イオン選択性と透過性のトレードオフを打ち破り、ナノ流体的浸透圧発電の性能を向上させることを提案する。連続体シミュレーションにより、低濃度側の外表面（表面L）における滑りが、特に短いナノポーラスにおいて、電気的出力とエネルギー変換効率の両方を顕著に向上させることを示した。一方、内面での滑りは出力を高めるが、効率を低下させる。表面Lの改質は、高性能な浸透圧発電の実用的で効果的な手法である。

ABSTRACT

High-performance osmotic energy conversion (OEC) with perm-selective porous membrane requires both high ionic selectivity and permeability simultaneously. Here, hydrodynamic slip is considered on surfaces of nanopores to break the tradeoff between ionic selectivity and permeability, because it decreases the viscous friction at solid-liquid interfaces which can promote ionic diffusion during OEC. Taking advantage of simulations, influences from individual slipping surfaces on the OEC performance have been investigated, i.e. the slipping inner surface (surfaceinner) and exterior surfaces on the low- and high-concentration sides (surfaceL and surfaceH). Results show that the slipping surfaceL is crucial for high-performance OEC. For nanopores with various lengths, the slipping surfaceL simultaneously increases both ionic permeability and selectivity of nanopores, which results in both significantly enhanced electric power and energy conversion efficiency. While for nanopores longer than 30 nm, the slipping surfaceinner plays a dominant role in the increase of electric power, which induces a considerable decrease in energy conversion efficiency due to enhanced transport of both cations and anions. Considering the difficulty in hydrodynamic slip modification to the surfaceinner of nanopores, the surface modification to the surfaceL may be a better choice to achieve high-performance OEC. Our results provide feasible guidance to the design of porous membranes for high-performance osmotic energy harvesting.

研究の動機と目的

• ナノ流体的浸透圧発電（OEC）膜におけるイオン選択性と透過性の本質的トレードオフを克服すること。
• 内壁（表面内）、高濃度側（表面H）、低濃度側（表面L）の3つのナノポーラス表面における流体滑りの個別的影響を調査すること。
• 電気的出力とエネルギー変換効率の両方を最大化する最適な滑り構成を特定すること。
• 外表面と内表面の表面改質の実現可能性を評価することで、多孔質膜の実用的設計指針を提供すること。

提案手法

• 塩濃度勾配下でのイオン輸送および流体の流れをモデル化するため、COMSOL Multiphysicsを用いた連続体流体力学シミュレーション。
• イオン輸送を記述するためのポアソン＝ネルンスト＝プランク（PNP）方程式と、滑り境界条件を適用したナビエ＝ストークス方程式を用いて流体の流れをモデル化。
• ポーラス幾形と表面電荷を一定に保ちつつ、個々の表面（表面内、表面L、表面H）のスリップ長（0–100 nm）を体系的に変化させた。
• 異なるポーラス長（5–100 nm）とスリップ構成におけるOEC指標（電気的出力、出力密度、エネルギー変換効率）の性能評価。
• 実用的な膜設計を模擬するため、外膜表面の帯電リング領域の幅（Les）が及ぼす影響を調査。
• 輸送機構の理解を深めるために、イオンフラックス、ネット電流、選択性（Na+ 対 Cl−）の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低濃度側の外表面（表面L）における流体滑りが、浸透圧発電とエネルギー変換効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 内側ポーラス表面（表面内）のスリップと外表面（表面L と 表面H）のスリップが、イオン透過性と選択性に果たす相対的寄与は何か？
• RQ3 ポーラス長が、異なる表面におけるスリップのOEC性能向上効果にどのように影響を与えるか？
• RQ4 外膜表面（特に表面L）におけるスリップは、出力と効率の両方を向上させることができ、一般的なトレードオフを克服できるか？
• RQ5 製造の実現可能性を考慮した場合、高性能OECを達成するための最適な表面改質戦略（内面対外表面）は何か？

主な発見

• 表面Lの滑りは、特に30 nm未塔のナノポーラスにおいて、電気的出力とエネルギー変換効率の両方を顕著に向上させる。これは、膜表面に沿った反イオンの拡散が改善されるためである。
• 30 nmを超える長いナノポーラスでは、表面内（表面内）の滑りにより電気的出力は増加するが、カチオンとアノンの両方の輸送が促進され、選択性が低下するためエネルギー変換効率が低下する。
• 表面Lが滑るナノポーラスのエネルギー変換効率は、非滑り状態と比較して最大69.3%向上する。一方、最適な外膜リング幅（Les ≈ 300 nm）では、電気的出力が108.6%向上する。
• 表面Lのみにスリップを施したナノポーラスでは、Les ≈ 700 nmで出力密度が商業基準の5 W/m²に達するが、非滑りナノポーラスでは約480 nmで同じ閾値に達する。
• 表面Lと表面内の両方にスリップを施した（ASSモデル）場合、最高のOEC性能が得られ、Les ≈ 500 nmで出力密度が基準を超えて、効率も非滑り構成を上回る。
• イオン輸送解析により、表面Lのスリップは膜表面近くでの横方向拡散を促進することで、Na+の透過性と選択性を向上させる一方、表面内のスリップは両イオンのフラックスを増加させ、選択性を低下させることが確認された。