[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究表明，在狭窄流体通道中引入带电障碍物可通过调控电动电势显著提升电动力能量转换效率，当障碍物采用周期性排列且半径大于通道高度的10%、电荷密度比≥9时，效率最高可达18%，相较于平面通道提升约14个百分点，且在考虑滑移效应和有限离子尺寸影响时仍保持优势。

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.

研究动机与目标

• 研究流动障碍物对纳米尺度流体系统中电动力能量转换的影响。
• 分析壁面流体滑移、有限离子尺寸及局部介电常数变化对能量转换效率的影响。
• 确定通过结构化障碍物实现效率最大化的最优几何与静电参数。
• 比较规则与非规则障碍物排列在增强电动电势和功率输出方面的有效性。

提出的方法

• 利用纳维-斯托克斯方程与泊松-能斯特-普朗克方程模拟带电障碍物的狭缝通道中电动力流动。
• 通过纳维滑移边界条件引入壁面流体滑移，以反映纳米尺度受限效应。
• 通过引入立体效应的修正泊松-玻尔兹曼方程来考虑有限离子尺寸的影响。
• 利用计算模拟评估不同障碍物几何形状与电荷密度下的电动电势及能量转换效率。
• 将归一化间距长度定义为障碍物间距与通道高度之比，以评估周期性影响。
• 在相同流动与静电条件下，比较规则与非规则障碍物排列的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在狭窄流体通道中引入带电障碍物如何影响电动电势与能量转换效率？
• RQ2 为实现电动力能量转换效率最大化，障碍物的最优尺寸与电荷密度比为何值？
• RQ3 壁面流体滑移与有限离子尺寸如何影响障碍物集成带来的效率增益？
• RQ4 障碍物阵列的周期性（间距长度）是否显著影响能量转换性能？
• RQ5 在规则与非规则障碍物排列中，哪种模式能带来更优的效率提升？

主要发现

• 采用规则排列的带电障碍物可使电动力能量转换效率提升至18%，而平面狭缝通道仅为4%。
• 当障碍物半径大于通道高度的10%且电荷密度比≥9时，效率提升最为显著。
• 对于半径≤通道高度10%的障碍物，电荷密度比约为1时效率达到最优。
• 归一化间距长度需达到0.6或以上，方能实现能量转换效率峰值。
• 在理想化模型预测之外，引入壁面流体滑移与有限离子尺寸效应可进一步提升效率。
• 滑移效应、立体效应与结构化障碍物的协同作用带来能量转换性能的累积性提升。