基于電動效應的能量轉換裝置研究進展

劉勇波

(1.內蒙古師范大學 數學科學學院,內蒙古 呼和浩特 010022; 2.內蒙古師范大學 應用數學中心,內蒙古 呼和浩特 010022)

煤、石油和天然氣等化石燃料仍然是人類當前獲取的主要能源?；剂系娜紵尫懦龅拇罅慷趸?、二氧化硫和氮氧化合物等有害氣體,以及因二氧化碳排放產生的溫室效應,正成為人類和環境所面臨的主要風險。此外,化石燃料屬于不可再生能源,不斷開發使其儲量日趨減少,已經不足以滿足人類日益增長的能源需求。開發利用清潔和可再生能源對于人類所面臨的環境和能源危機具有重要意義。到目前為止,已經開發了一系列諸如風能[1]、太陽能[2]和地熱能[3]等可再生能源。然而,由于受到天氣、地理和環境等因素的限制,這些應用仍存在一定的局限性[4]。科學家們正致力于探索更多的能量轉換裝置。最近,基于電動效應的能量轉換裝置因其清潔度高、操作簡單、低成本高效益等優點而受到關注[5]。該裝置主要由壓力傳感器、微/納米通道以及電解質溶液組成。與傳統的具有大型機械部件的發電系統相比,上述微/納米流體裝置更加緊湊,具有可靠和安全的單元和系統。因此,可通過擴大該設備的規模來收集海洋能源[6]。

本文綜述了近年基于電動效應的能量轉換裝置的主要研究進展。首先介紹納米通道內的電動能量轉換機理,并給出了納米通道內電動能量轉換效率的研究進展; 其次介紹離子導電膜對提高上述能量轉換效率的研究進展; 然后給出壓力梯度作用下由微射流引起的電動能量轉換研究進展; 最后對電動能量轉換裝置的設計以及面臨的挑戰進行了展望。

1 電動能量轉換理論

1.1 雙電層理論

當微納通道的固體表面與其中的溶液接觸時,由于物理吸附作用或者化學反應,通常使得固體表面帶負電荷。帶電荷的固體表面吸引電解質溶液中的反離子(陽離子),同時排斥溶液中的共離子(陰離子),從而在固液界面處形成一個雙電層(EDL)[7],該雙電層中的凈電荷不為零。雙電層由固定電荷層(stern layer)和擴散層(diffuse layer)組成,擴散層內的離子密度分布服從Boltzmann分布[8],如圖1所示。

1.2 電動能量轉換

當電解質溶液在壓力梯度(pressure gradient)的作用下通過微納米通道時,由于雙電層內的凈電荷隨溶液進行定向遷移,所以會產生流向電流(streaming current)[9-11]。而隨著凈電荷在通道下游的積累,形成一個與流體流動方向相反的誘導流動電位。此時,在通道兩端接兩個電極并外接一個負載(load),則可以形成一個電流回路。該裝置可以將機械能(由壓力梯度引起的)轉換為電能,其原理如圖2所示[8]

圖1 雙電層模型[8] 圖2 電動能量轉換裝置原理圖[8] Fig.1 Electric double layer model[8] Fig.2 Schematic diagram of electric energy conversion device[8]

2 納米通道內電動能量轉換效率的研究進展

1964年,Osterle[12]在研究微通道中的流動時首次發現,利用電動效應可以實現機械能和電能之間的相互轉換。然而,根據他的計算,電動能量轉換效率非常低,僅為0.392%。這個極低的轉換效率不利于實際應用。因此,這一研究內容在20世紀幾乎沒有進展。直到最近,隨著人們環保意識的增強以及微納米制造技術的快速發展,研究人員再次關注微納米通道內基于電動效應的能量轉換問題[13],試圖開發和利用一種新的清潔和可再生能源。在實際應用中,能量轉換裝置必須擁有較大的功率密度以及較高的轉換效率。因此,近年來的研究主要集中于如何提高其轉換效率以及功率密度[14-18]。由于單個微通道的流動電流很小,通常為納米級。Yang等[19]在2003年首先提出了一種構建電動電池的方法,將n個圓形微通道組合在一起(圖3),得到1～2 μA的流動電流(nIstr)。

圖3 微通道陣列電路原理圖[19]Fig.3 Schematic diagram of microchannel array circuit[19]

2007年,Heyden等[20]通過實驗發現,電動能量轉換效率是通道高度和溶液濃度的函數,并發現當雙電層重疊時轉換效率最高,這對應于納米通道中充滿了低離子強度的水溶液。他們在一個75 nm高的矩形通道中得到了最高為 3.2%的轉換效率。此外,他們還發現,降低Stern層的電導能顯著提高轉換效率,這項發現對于后續實驗研究有一定的指導意義。2008年,Xie等[21]通過測量流動電流和相應的電導率探索了納米孔內的電動能量轉換效率。其研究表明,納米孔的表面性質對其中的動電學行為有重要的影響,特別是當電解液濃度較低時影響更為明顯。該研究在直徑為31 nm的納米孔中得到了最高為5%的轉換效率,這是目前為止該類型裝置通過實驗得到的最高電動能量轉換效率。近年來,科學家們對此類電動能量轉換裝置進行了很多理論上的改進,包括使用不同電解質溶液[22-25]、不同邊界條件[26-27]以及不同類型納米通道[28-31]等,并取得了一定的理論研究成果。其中,最重要的一項成果是,發現利用滑移邊界條件可以顯著提高轉換效率。

2008年,Ren和Stein[32]首次通過理論模型預測,當滑移長度為30 nm時,納米通道內的電動能量轉換效率可達40%。他們同時預測,使用碳納米管可以將電動能量轉換效率提高至74%。隨后,Goswami和Chakraborty[33]研究了周期壓力梯度和滑移邊界條件作用下的納米通道內的電動能量轉換效率,并發現周期壓力梯度和滑移邊界條件的耦合作用可以進一步提高其轉換效率。Yan等[34]在2013年的一項研究中發現,當滑移長度為90 nm時,可以達到上限為50%的轉換效率。上述有關滑移邊界條件作用下的電動能量轉換效率問題的研究都認為滑移長度是一個給定的常數。然而事實上,滑移長度強烈地依賴于表面電荷密度。2015年,北京大學的薛建明教授研究組[35]通過考慮表面電荷對滑移長度的影響,重新探索了碳納米管中的電動能量轉換效率問題。其研究結果表明,當表面電荷從0增加到12e時,碳納米管的滑移長度從110 nm 降到14 nm。根據模擬結果,估算出最高為30%左右的轉換效率。該研究主要關注表面電荷密度及其空間分布對滑移長度和轉換效率的影響。此外,2018年,Buren等[36]研究了依賴于表面電荷密度的滑移長度對電動能量轉換效率的影響機制。結果表明,當考慮表面電荷密度對滑移長度的影響時,速度和能量轉換效率均呈現出降低的趨勢。綜上所述,盡管有相關的理論預測表明滑移邊界條件下的轉換效率很高,但是仍然缺乏相應的實驗證明。

3 離子導電膜中的電動能量轉換效率的研究進展

離子導電膜是一種聚合物膜,它通常允許溶液中的一部分離子通過并阻止其他離子通過。當選取合適的離子導電膜時,可以使更多的反離子快速的通過膜,從而提高電動能量轉換裝置的性能。2013年,Bentien等[37]首次通過實驗對納米多孔聚合物膜中的電動能量轉換效率進行了系統的研究,發現聚合物膜中的轉換效率最高為5.5%。同時,他們預測,對于具有較高表面電荷密度的聚合物膜(如離子交換膜)可以達到更高的效率。2014年,Kilsgaard等[38]驗證了Bentien等的預測,發現對于高表面電荷密度的全氟磺酸膜,電動能量轉換效率最高可達20%。隨后,Haldrup等[39]在2015年發現,對于一個平均孔徑為11 nm的硝基/磺化聚苯乙烯膜,轉換效率可以達到46%。其電動能量轉換裝置如圖4所示。

圖4 薄膜電動發電機的原理圖[39]Fig.4 Schematic diagram of a membrane-based electrokinetic power generetor[39]

上述有關聚合物膜中的電動能量轉換效率均通過間接測量法求得。2017年,Φstedgaard-Munck等[40]使用直接測量的方法得到了全氟磺酸膜中最高為14%的轉換效率。此外,其他重要的貢獻包括Catalano和Bentien[41]研究的溫度對全氟磺酸117膜中的電動特性和轉換效率的影響機制,Haldrup等[42]研究的磺化聚苯乙烯中的電動能量轉換問題,Yang等[43]研究的超薄Ti3C2Tx膜中的電動能量轉換問題以及Qu等[44]研究的垂直分布的Ti3C2Tx膜對電動能量轉換性能的影響機制。這些研究成果表明,聚合物膜的使用可能是實現低成本高效率的電動能量轉換的未來途徑。

4 液體微射流的電動能量轉換研究進展

圖5 液體微射流裝置[45]Fig.5 Liquid water microjet device[45]

前面提到的納米通道內和離子電導膜中的電動能量轉換問題存在一個共同的局限性,通道表面和流體中的離子在誘導流動電位的作用下會發生反向傳導,進而導致輸出功率和轉換效率的降低。液體微射流裝置通過把水分解成液滴列,消除了由于反向傳導而造成的能量損耗,從而提高了轉換效率。Duffin和Saykally[45]首次研究了液體微射流的電動能量轉換效率問題,其實驗裝置如圖5所示。研究結果表明,在不使用離子電導膜的情況下,轉換效率超過了10%。該轉換效率是Xie等[21]在納米孔中測得的轉換效率的2倍。

2012年,Xie等[46]通過提出新的能量轉換機制,重新估算了液體微射流裝置的能量轉換效率。結果表明,該裝置可以產生幾千伏的電壓,并可以達到15%的轉換效率。隨后,Xie等[47-48]進一步完善了該裝置,將轉換效率提高到48%。上述研究報告表明,微噴射系統可以顯著提高效率。但是,他們的單噴流設備輸出功率低,難以利用。2018年,Li等[49]首次提出了一種多孔微射流陣列裝置,通過簡單的設計實現了高功率輸出的目標。實驗結果表明,該裝置最大輸出電壓為85 kV,最大輸出電流為1 268.08 nA。這項研究為微射流系統在低功率器件中的應用開辟了新的前景。最近,Xu等[50]通過優化工作條件,證明了單噴流的最大效率可以提高到近80%,這代表了一個有效的電動動能轉換,使得基于電動效應的能量轉換裝置向實際應用又邁進一步。

5 結論與展望

可再生清潔能源對環境的可持續性起著至關重要的作用。在能源轉換方面,與傳統的發電裝置相比,基于電動效應的能量轉換裝置具有清潔、無噪音以及安全等特性。此外,以表面帶電微/納米通道、電解質溶液和壓力梯度為主要組成部分的簡單能量轉換系統具有一定的應用和商業價值。然而,該能量轉換系統也有一些缺點,比如較低的輸出功率和相對低的轉換效率。為了追求更高的能量轉換效率和輸出功率,科學家們在精密結構的構建、表面化學改性和界面水動力滑移等方面作出了努力。目前為止,已經通過實驗證實離子導電膜以及液體微射流裝置的使用都能提高能量轉換裝置的性能。未來,通過把離子導電膜應用微射流裝置中,可能實現電動能量轉換效率以及輸出功率的進一步提升。綜上所述,基于電動效應的能量轉換裝置結合先進的納米技術,可以為開發清潔可再生能源的研究和應用開創新的模式。