[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于纳米流体系统中电动力效应的水-固界面能量转换理论框架，利用线性非平衡热力学将热力学梯度（如盐度、温度、静电势）与耦合通量（流体动力、电、热）联系起来。主要贡献在于识别出最优设计参数——如低盐浓度、小通道尺寸以及低热/电导率——以最大化渗透能与废热能量的转换效率。

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.

研究动机与目标

• 建立基于电动力效应的水-固界面能量转换的理论基础。
• 识别控制纳米流体系统中渗透能与热能收集效率的关键物理参数。
• 将微观界面特性（如电双层结构）与宏观输运响应相连接。
• 通过平衡纳米通道中电动力响应与电导率，优化系统性能。

提出的方法

• 应用线性非平衡热力学建模由热力学梯度驱动的耦合通量（流体动力、电、热）。
• 使用吉布斯方程和广义力（亲和势）定义能量、体积、粒子和电荷输运的热力学驱动力。
• 从界面微观特性推导响应系数（如电渗迁移率、流动电流、塞贝克系数）。
• 分析在带电界面处由非流体动力力（如静电或热梯度）引起的渗透流。
• 通过无量纲优值 $ZT = M_{\rm te}^2 / (\sigma k T)$ 评估热电性能，将其与界面输运系数关联。
• 考虑在分子尺度受限条件下连续介质模型的失效，主张采用统计物理和量子层次描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在纳米流体系统中，系统地使用线性非平衡热力学描述电动力效应？
• RQ2 哪些主导的微观因素可增强水-固界面处的渗透流？
• RQ3 在窄通道中电双层（EDL）的重叠如何影响能量转换效率？
• RQ4 在纳米流体热电系统中，为最大化 $ZT$，最优的材料与几何参数是什么？
• RQ5 在分子尺度上出现了哪些新现象，挑战了经典连续介质对界面输运的描述？

主要发现

• 纳米流体系统中的电动力效应源于带电水-固界面处热力学梯度与通量之间的耦合，其媒介为电双层（EDL）。
• 渗透流可由非流体动力驱动（如静电或热梯度）产生，其大小取决于EDL结构和表面滑移。
• 塞贝克系数 $S_e = M_{\rm te}/(\sigma T)$ 将热电响应与热电系数 $M_{\rm te}$ 联系起来，后者取决于界面特性。
• 最大化 $ZT$ 需要同时最小化系统的电导率与热导率，尤其在低盐度、亚10 nm通道中更为关键。
• 在窄通道中EDL重叠使薄EDL近似失效，需采用扩展的解析模型以准确预测输运系数。
• 在分子尺度受限条件下，连续介质模型失效，必须采用量子力学与统计物理方法以捕捉新兴的界面现象。