盐度和压力梯度对纳米流体中可持续能量转换的协同效应

论文信息：

Zhe Zhang, Zhenquan Li, Yanxin Shi, Xiaojun Chen, Nan Qiao, Changzheng Li. The synergistic effects of salinity and pressure gradients on sustainable energy conversion in nanofluidics. Desalination 586 (2024) 117885.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117885

研究背景

随着化石燃料的广泛使用，能源危机愈演愈烈，追求绿色、清洁、无污染的可再生能源成为能源发展的根本基础。利用自然环境中的可再生能源是实现这一目标的关键途径。地球上的海洋蕴藏着特别丰富的能源。除了之前提出波浪能和潮汐能，研究人员越来越认识到渗透能或压力势能是非常有前途的可再生能源。由于纳米技术的进步，离子在带电纳米通道内的传输性能不断提高。这些带电荷的纳米通道可以同时调节离子传输和发电性能。在具有盐度或压力梯度的水溶液中，由于阳离子和阴离子通过离子选择膜的不同迁移能力，在膜表面的纳米通道内，双电层重叠处产生扩散电流。电流可由位于通道两侧的电极感应，并随后定向到外部负载，实现渗透能或压力势能转化为电能。

纳米通道内能量转换的研究主要集中在盐度梯度力驱动的渗透能转换和压力梯度力驱动的电动能转换。然而，先前的研究主要集中在纳米通道内由盐度梯度力驱动的渗透能产生或由压力梯度力驱动的电动能产生。根据前人的理论和实验经验，我们知道渗透能转换和电动能转换是两种明显不同的发电方式，在各自的领域有不同的研究方法和潜在的机制。因此，有必要将这两种不同的驱动力结合起来，填补相关领域的空白，分析组合能量转换系统的内在机理和发电性能影响，进行深入全面的研究。

研究内容

图1为不同梯度驱动力下纳米通道内离子输运示意图。如图1(a)所示，当只有一个盐度梯度时为盐度梯度发电。在图1(b)中，当两侧浓度相同且存在压力梯度时，为压力梯度发电。在图1(c)中，当压力梯度方向与盐度梯度方向相同时，此时的发电方式称为正组合(PC)发电。在图1(d)中，当组合相反时，为负组合(NC)发电。我们假设流体是不可压缩的KCl溶液，红球代表K+，蓝球代表Cl-，HC代表高浓度，LC代表低浓度。

图1 (a)盐度梯度、(b)压力梯度、(c)正组合、(d)负组合驱动的纳米通道能量转换模型。

图2描述了0.1 MPa、1 MPa、3 MPa、5 MPa时电流与浓度比CH/CL的函数关系。在压差条件下，由于储池两侧设置为相同的浓度，所以电流随着浓度的增加先上升后减小。这是因为体积浓度的增加增加了进入通道的离子数量，并贡献了更多的电流。然而，上层浓度减弱了双电层的作用。即使更多的反离子进入，阴离子也会增加，从而削弱电流的贡献。还可以发现，压力越高，电流越大，因为两边的压差越大，导致离子通量越大。在盐度差的情况下，电流随着浓度比的增加而增加，这是由于较大的盐度梯度驱动下，流入的离子数量增加，贡献的电流也更多。PC条件下，随着浓度比的增加，电流先升高后降低，且压力越高，电流减小越快。首先，较大的盐度梯度有助于较大的电流，然后下降是由离子分离和极化的协同作用引起的。

图2 (a) 0.1 MPa (b) 1 MPa (c) 3 MPa (d) 5 MPa条件下电流随浓度比的变化。(e) 0.1 MPa (f) 1 MPa (g) 3 MPa (h) 5 MPa时电压与浓度比的关系。

图3(a) - (d)描述了PC作用下纳米通道中阴离子和阳离子的浓度分布。可以发现，浓度越高，阴离子和阳离子的分离越差，压力越高，低浓度侧极化越明显，这就解释了PC情况下电流的变化。值得注意的是，在图2(a)和(b)中，PC与盐度差近似，说明此时发电以盐度差为主，压差起到促进作用，这也是PC电流优于盐度差的原因。在图2(c)和(d)中，PC与压差情况类似，说明此时的发电以压差为主，当压差足够大时，电流被抑制。在图2(a)中，NC工况下电流随浓度比的增加而增大，且符号为负，说明盐度差发电起主导作用，也证明了前面结论的正确性。当压力超过3MPa时，由于压差足够大，电流依次随浓度比减小。

图3 在PC条件下，(a) 0.1 MPa (b) 1 MPa (c) 3 MPa (d) 5 MPa时，纳米通道中阳离子和阴离子的轴向浓度分布。净离子浓度轴向分布为(e) 0.1 MPa (f) 1 MPa (g) 3 MPa (h) 5 MPa。

图4(a) - (d)为输出功率与浓度比的关系。压差条件下，相对于浓度比，功率先增大后减小。结合上面对电流和电压的分析，功率首先增加，因为在低浓度比下电流的增加比电压的降低更显著。当浓度比较高时，电流和电压均呈下降趋势，导致功率减小。在盐度差条件下，由于电压对功率的贡献大于电流，功率先增大后减小。在PC条件下，随着浓度比的增加，功率呈现先增大后减小的趋势。根据之前的分析，这是因为压力驱动和浓度驱动的结合共同促进了低浓度比下离子的输运。然而，高浓度比削弱了离子分离，使双层向右移动，导致功率显著降低。还可以发现，PC工况下发电功率始终优于压差工况，但高浓度比工况下，PC工况下发电功率弱于盐度差工况，说明高浓度比下盐度梯度和压力梯度的组合实际上削弱了发电性能。

图4 (a) 0.1 MPa (b) 1 MPa (c) 3 MPa (d) 5 MPa工况下输出功率与浓度比的关系。PER与浓度比的关系为(e) 0.1 MPa (f) 1 MPa (g) 3 MPa (h) 5 MPa。

总结与展望

这篇文章基于渗透能转换与电动能转换驱动模式的差异，构建了四种纳米通道内的发电模型。基于Poisson方程、Nernst-Planck方程和Navier-Stokes方程计算了离子输运行为和能量转换特性。结果表明: (1)在PC工况下，低浓度比下，压力驱动和盐度驱动的组合促进了离子的输运，但高浓度比削弱了离子的分离，使双电层向右移动，说明高浓度比下盐度梯度和压力梯度的组合实际上削弱了发电性能。(2)在PC条件下，较小的压力梯度有利于离子的输运，但当压差发电为主导效应时，由于压力梯度诱导的极化方向与盐度梯度方向相反，通道两侧的浓度驱动力减弱。因此，过大的压力梯度不利于与盐度梯度结合。(3)综合分析表明，PC优化效果优于NC，但NC在高浓度比、小压力梯度条件下也有一定的优化效果。(4)表面电荷密度越大，输出功率越大，但优化效果越差。相反，通道长度越大，输出功率越小，但优化效果越好。表面电荷密度或通道长度的合理选择需要平衡。(5)正向联合发电效率介于盐度差和反向联合发电之间，压差发电效率最低。这表明，尽管在PC条件下引入压力会降低整体发电效率，但降低幅度并不明显。此外，考虑到压差发电效率较低，两种方法相结合是一种改进措施。