[논문 리뷰] Charged Obstacles Augment Electrokinetic Energy Conversion Efficiency

Kahali, Tanoy, Antarip Poddar외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 좁은 유체 채널 내에 병렬된 전하를 띤 장애물을 도입함으로써 스트리밍 전위를 조작하여 전기동역학적 에너지 변환 효율을 크게 향상시킨다. 최적의 성능은 채널 높이의 10% 이상의 반지름을 가지며 전하 밀도 비율 ≥9인 규칙적인 장애물 패턴을 사용할 때 달성되며, 이로 인해 최대 18%의 효율을 기록한다. 이는 슬립 및 유한 이온 크기 효과를 고려할 경우 평판형 채널보다 약 14 포인트 높은 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 유체 시스템에서 유량 장애물이 전기동역학적 에너지 변환에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 벽면의 유체역학적 슬립, 유한 이온 크기, 국소적 허용도 변화가 에너지 변환 효율에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 구조화된 장애물을 사용하여 효율을 극대화하기 위한 최적의 기하학적 및 전기적 매개변수를 규명하기 위해.
• 효율 향상에 있어 규칙적인 패턴 대비 비규칙적인 패턴의 효과를 비교하기 위해.

제안 방법

• 나비에-스토크스 방정식과 포아송-너스트-플랭크 방정식을 사용하여 전하를 띤 장애물이 있는 슬릿 채널 내의 전기동역학적 유량을 모델링하기 위해.
• 나노스케일 구속 효과를 반영하기 위해 나비에 슬립 경계 조건을 사용하여 벽면의 유체역학적 슬립을 포함하기 위해.
• 스테리크 효과를 반영하기 위해 수정된 포아송-볼츠만 방정식을 사용하여 유한 이온 크기를 고려하기 위해.
• 다양한 장애물 기하학적 형상과 전하 밀도에서 스트리밍 전위 및 에너지 변환 효율을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 정규화된 간격 길이를 채널 높이에 대한 장애물 간격 비율로 정의하여 주기성의 영향을 평가하기 위해.
• 유사한 유량 및 전기적 조건 하에서 규칙적 및 비규칙적 장애물 패턴의 성능을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하를 띤 장애물의 도입이 좁은 유체 채널 내 스트리밍 전위 및 에너지 변환 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전기동역학적 에너지 변환 효율을 극대화하기 위해 최적의 장애물 크기와 전하 밀도 비율은 무엇인가?
• RQ3 벽면의 유체역학적 슬립과 유한 이온 크기가 장애물 통합에 따른 효율 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 장애물 배열의 주기성(간격 길이)이 에너지 변환 성능에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ5 규칙적인 패턴인지 비규칙적인 패턴인지, 어느 것이 더 뛰어난 효율 향상 효과를 낳는가?

주요 결과

• 전하를 띤 장애물의 규칙적인 패턴은 평판형 슬릿 채널의 4% 대비 최대 18%의 전기동역학적 에너지 변환 효율 향상을 이룬다.
• 채널 높이의 10% 이상의 반지름을 가지며 전하 밀도 비율 ≥9인 장애물이 가장 높은 효율 향상을 제공한다.
• 채널 높이의 10% 이하의 반지름을 가진 장애물의 경우, 약 1인 최적의 전하 밀도 비율이 효율을 극대화한다.
• 정규화된 간격 길이가 0.6 이상이어야 최고의 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.
• 벽면의 유체역학적 슬립과 유한 이온 크기 효과를 고려할 경우, 이상 모델 예측을 초월하여 효율이 향상된다.
• 슬립, 스테리크 효과, 구조화된 장애물의 조합은 에너지 변환 성능 향상에 누적 효과를 낳는다.