[论文解读] 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 26

一句话总结

本研究通过在纳米孔表面工程化水动力滑移，以突破纳米流体渗透发电中离子选择性与渗透率之间的权衡，从而提升纳米流体渗透发电性能。通过连续相模拟表明，在低浓度侧外表面（surfaceL）实现滑移可显著提高电功率和能量转换效率，尤其在短纳米孔中效果更明显；而内表面滑移虽可提升功率，但以牺牲效率为代价。surfaceL的改性在实际应用中更具可行性和有效性，是实现高性能渗透发电的实用设计路径。

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.

研究动机与目标

• 为克服纳米流体渗透发电（OEC）膜中固有的离子选择性与渗透率之间的权衡。
• 研究水动力滑移在三种纳米孔表面（内壁表面，surfaceinner；高浓度侧表面，surfaceH；低浓度侧表面，surfaceL）的独立影响。
• 识别能同时最大化电功率与能量转换效率的最优滑移构型。
• 通过评估在外部与内部纳米孔表面进行表面改性的可行性，为多孔膜提供实际设计指导。

提出的方法

• 采用COMSOL Multiphysics进行连续相流体动力学模拟，以在盐度梯度下建模带电纳米孔中的离子输运与流体流动。
• 应用泊松-能斯特-普朗克（PNP）方程描述离子输运，结合带有滑移边界条件的纳维-斯托克斯方程模拟流体流动。
• 在保持孔道几何结构与表面电荷恒定的前提下，系统性地改变单一表面（surfaceinner、surfaceL、surfaceH）的滑移长度（0–100 nm）。
• 在不同孔长（5–100 nm）与滑移构型下，评估OEC性能指标：电功率、功率密度与能量转换效率。
• 研究带电环形区域宽度（Les）在膜外表面的影响，以模拟具有多个并联纳米孔的实际膜设计。
• 分析离子通量、净电流与选择性（Na+ 与 Cl−），以理解其背后的输运机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 低浓度侧外表面（surfaceL）的水动力滑移如何影响渗透发电性能与能量转换效率？
• RQ2 内孔表面（surfaceinner）滑移与外表面（surfaceL 与 surfaceH）滑移在离子渗透率与选择性方面的相对贡献如何？
• RQ3 孔长如何影响不同表面滑移在提升OEC性能方面的有效性？
• RQ4 在膜外表面（尤其是surfaceL）实现滑移是否能同时提升输出功率与效率，从而突破典型权衡？
• RQ5 在考虑制造可行性的前提下，实现高性能OEC的最优表面改性策略（内表面 vs. 外表面）是什么？

主要发现

• surfaceL滑移显著提升了电功率与能量转换效率，尤其在孔长小于30 nm的纳米孔中，其原因在于增强了沿膜表面的反离子平行扩散。
• 对于孔长大于30 nm的纳米孔，内表面滑移（surfaceinner）虽可提升电功率，但因同时增强了阳离子与阴离子的传输，降低了选择性，从而降低了能量转换效率。
• 与非滑移情况相比，具有surfaceL滑移的纳米孔能量转换效率最高可提升69.3%，而电功率在最优外膜环形区域宽度（Les ≈ 300 nm）下提升达108.6%。
• 仅surfaceL滑移的纳米孔在Les ≈ 700 nm时，功率密度即可达到商业基准值5 W/m²；而非滑移纳米孔需在约480 nm时才能达到相同阈值。
• 同时在surfaceL与surfaceinner表面实现滑移（ASS模型）可获得最高的OEC性能，其功率密度超过基准值，且在Les ≈ 500 nm时效率超越非滑移构型。
• 离子输运分析表明，surfaceL滑移通过促进靠近膜表面的横向扩散，增强了Na+的渗透率与选择性；而surfaceinner滑移则同时增加两种离子的通量，导致选择性下降。