[논문 리뷰] Significantly Enhanced Performance of Nanofluidic Osmotic Power Generation by Slipping Surfaces of Nanopores

Long Ma, Kabin Lin외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 10.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 47인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 나노유체역학적 삼투압 전력 생성을 향상시키기 위해 낮은 농도 측면의 외부 표면에서 유체역학적 슬립을 설계하여 이온 선택성과 투과성 사이의 상충관계를 깨는 것을 제안한다. 연속체 시뮬레이션을 통해 표면L(낮은 농도 측면의 외부 표면)에서의 슬립이 특히 짧은 나노포어에서 전기적 전력과 에너지 변환 효율을 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 내부 표면 슬립은 전력은 증가시키지만 효율은 떨어뜨린다. 표면L의 수정은 높은 성능의 삼투압 전력 수확에 더 실용적이고 효과적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노유체역학적 삼투압 전력 변환(OEC) 막에서 이온 선택성과 투과성 사이에 내재된 상충관계를 극복하기 위해.
• 내벽(surfaceinner), 고농도 측면(surfaceH), 저농도 측면(surfaceL)의 세 나노포어 표면에서의 유체역학적 슬립의 개별적 영향을 조사하기 위해.
• 전기적 전력과 에너지 변환 효율을 동시에 최대화하는 데 가장 효과적인 슬립 구성을 규명하기 위해.
• 외부 표면과 내부 표면에서의 표면 수정의 실현 가능성을 평가하여 다공성 막의 실용적 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 염료 기울기 하에서 고전적인 나노포어 내 이온 이동과 유체 흐름을 모델링하기 위해 COMSOL Multiphysics를 사용한 연속체 유체역학 시뮬레이션.
• 이온 이동을 기술하기 위해 포아송-너스트-플랭크(Poisson-Nernst-Planck, PNP) 방정식과, 슬립 경계 조건을 적용한 라우지-스톡스(Stokes) 방정식을 사용한 유체 흐름 모델링.
• 관류 기하학적 형태와 표면 전하를 일정하게 유지하면서, 개별 표면(surfaceinner, surfaceL, surfaceH)의 슬립 길이(0–100 nm)를 체계적으로 변화시킴.
• 다양한 관류 길이(5–100 nm)와 슬립 구성 조건에서 전기적 전력, 전력 밀도, 에너지 변환 효율성 등의 OEC 지표를 평가함.
• 실제 막 설계에서 다수의 평행 나노포어를 고려하기 위해 외부 막 표면의 전하 영역 너비(Les)에 미치는 영향을 조사함.
• 이온 유량, 순전류, 선택성(Na+ 대 Cl−) 분석을 통해 기초적인 이동 메커니즘을 이해함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저농도 측면의 외부 표면(surfaceL)에서의 유체역학적 슬립이 삼투압 전력 생성과 에너지 변환 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 내부 포어 표면(surfaceinner)의 슬립과 외부 표면(surfaceL 및 surfaceH)의 슬립이 이온 투과성과 선택성에 기여하는 상대적 기여도는 어떠한가?
• RQ3 관류 길이가 다양한 표면에서 슬립의 효과가 OEC 성능 향상에 미치는 영향에 어떻게 작용하는가?
• RQ4 특히 surfaceL에서의 슬립이 전력 출력과 효율성을 동시에 향상시켜 일반적으로 발생하는 상충관계를 극복할 수 있는가?
• RQ5 제조 가능성도 고려할 때, 고성능 OEC를 달성하기 위한 최적의 표면 수정 전략(내부 대 외부)은 무엇인가?

주요 결과

• 표면L에서의 슬립은 특히 30 nm 이하의 나노포어에서 전기적 전력과 에너지 변환 효율을 크게 향상시키며, 이는 막 표면에 평행한 반대 이온의 확산 향상 덕분이다.
• 30 nm를 초과하는 나노포어에서는 표면inner의 슬립이 전기적 전력을 증가시키지만, 양이온과 음이온 모두의 이동을 증가시켜 선택성을 낮추고 에너지 변환 효율을 감소시킨다.
• 표면L에서 슬립이 적용된 나노포어의 에너지 변환 효율은 비슬립 케이스 대비 최대 69.3% 향상되었으며, 최적의 외부 막 고리 너비(Les ≈ 300 nm) 조건에서 전기적 전력은 108.6% 향상되었다.
• 표면L에서만 슬립이 적용된 나노포어의 전력 밀도는 Les ≈ 700 nm에서 상업적 기준인 5 W/m²에 도달하는 반면, 비슬립 나노포어는 약 480 nm에서 동일 기준에 도달한다.
• 표면L과 표면inner 양쪽에 슬립을 적용한 조합(모델: ASS)은 가장 높은 OEC 성능을 보이며, Les ≈ 500 nm에서 전력 밀도는 기준을 초월하고 효율은 비슬립 구성보다 높아진다.
• 이온 이동 분석 결과 표면L 슬립은 막 표면 근처에서의 횡방향 확산을 촉진시켜 Na+의 투과성과 선택성을 향상시키는 반면, 표면inner 슬립은 두 이온의 유량을 증가시켜 선택성을 저하시킨다.