基于电动效应的能量转换装置研究进展

刘勇波

(1.内蒙古师范大学 数学科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022; 2.内蒙古师范大学 应用数学中心,内蒙古 呼和浩特 010022)

煤、石油和天然气等化石燃料仍然是人类当前获取的主要能源。化石燃料的燃烧释放出的大量二氧化碳、二氧化硫和氮氧化合物等有害气体,以及因二氧化碳排放产生的温室效应,正成为人类和环境所面临的主要风险。此外,化石燃料属于不可再生能源,不断开发使其储量日趋减少,已经不足以满足人类日益增长的能源需求。开发利用清洁和可再生能源对于人类所面临的环境和能源危机具有重要意义。到目前为止,已经开发了一系列诸如风能[1]、太阳能[2]和地热能[3]等可再生能源。然而,由于受到天气、地理和环境等因素的限制,这些应用仍存在一定的局限性[4]。科学家们正致力于探索更多的能量转换装置。最近,基于电动效应的能量转换装置因其清洁度高、操作简单、低成本高效益等优点而受到关注[5]。该装置主要由压力传感器、微/纳米通道以及电解质溶液组成。与传统的具有大型机械部件的发电系统相比,上述微/纳米流体装置更加紧凑,具有可靠和安全的单元和系统。因此,可通过扩大该设备的规模来收集海洋能源[6]。

本文综述了近年基于电动效应的能量转换装置的主要研究进展。首先介绍纳米通道内的电动能量转换机理,并给出了纳米通道内电动能量转换效率的研究进展; 其次介绍离子导电膜对提高上述能量转换效率的研究进展; 然后给出压力梯度作用下由微射流引起的电动能量转换研究进展; 最后对电动能量转换装置的设计以及面临的挑战进行了展望。

1 电动能量转换理论

1.1 双电层理论

当微纳通道的固体表面与其中的溶液接触时,由于物理吸附作用或者化学反应,通常使得固体表面带负电荷。带电荷的固体表面吸引电解质溶液中的反离子(阳离子),同时排斥溶液中的共离子(阴离子),从而在固液界面处形成一个双电层(EDL)[7],该双电层中的净电荷不为零。双电层由固定电荷层(stern layer)和扩散层(diffuse layer)组成,扩散层内的离子密度分布服从Boltzmann分布[8],如图1所示。

1.2 电动能量转换

当电解质溶液在压力梯度(pressure gradient)的作用下通过微纳米通道时,由于双电层内的净电荷随溶液进行定向迁移,所以会产生流向电流(streaming current)[9-11]。而随着净电荷在通道下游的积累,形成一个与流体流动方向相反的诱导流动电位。此时,在通道两端接两个电极并外接一个负载(load),则可以形成一个电流回路。该装置可以将机械能(由压力梯度引起的)转换为电能,其原理如图2所示[8]

图1 双电层模型[8] 图2 电动能量转换装置原理图[8] Fig.1 Electric double layer model[8] Fig.2 Schematic diagram of electric energy conversion device[8]

2 纳米通道内电动能量转换效率的研究进展

1964年,Osterle[12]在研究微通道中的流动时首次发现,利用电动效应可以实现机械能和电能之间的相互转换。然而,根据他的计算,电动能量转换效率非常低,仅为0.392%。这个极低的转换效率不利于实际应用。因此,这一研究内容在20世纪几乎没有进展。直到最近,随着人们环保意识的增强以及微纳米制造技术的快速发展,研究人员再次关注微纳米通道内基于电动效应的能量转换问题[13],试图开发和利用一种新的清洁和可再生能源。在实际应用中,能量转换装置必须拥有较大的功率密度以及较高的转换效率。因此,近年来的研究主要集中于如何提高其转换效率以及功率密度[14-18]。由于单个微通道的流动电流很小,通常为纳米级。Yang等[19]在2003年首先提出了一种构建电动电池的方法,将n个圆形微通道组合在一起(图3),得到1～2 μA的流动电流(nIstr)。

图3 微通道阵列电路原理图[19]Fig.3 Schematic diagram of microchannel array circuit[19]

2007年,Heyden等[20]通过实验发现,电动能量转换效率是通道高度和溶液浓度的函数,并发现当双电层重叠时转换效率最高,这对应于纳米通道中充满了低离子强度的水溶液。他们在一个75 nm高的矩形通道中得到了最高为 3.2%的转换效率。此外,他们还发现,降低Stern层的电导能显著提高转换效率,这项发现对于后续实验研究有一定的指导意义。2008年,Xie等[21]通过测量流动电流和相应的电导率探索了纳米孔内的电动能量转换效率。其研究表明,纳米孔的表面性质对其中的动电学行为有重要的影响,特别是当电解液浓度较低时影响更为明显。该研究在直径为31 nm的纳米孔中得到了最高为5%的转换效率,这是目前为止该类型装置通过实验得到的最高电动能量转换效率。近年来,科学家们对此类电动能量转换装置进行了很多理论上的改进,包括使用不同电解质溶液[22-25]、不同边界条件[26-27]以及不同类型纳米通道[28-31]等,并取得了一定的理论研究成果。其中,最重要的一项成果是,发现利用滑移边界条件可以显著提高转换效率。

2008年,Ren和Stein[32]首次通过理论模型预测,当滑移长度为30 nm时,纳米通道内的电动能量转换效率可达40%。他们同时预测,使用碳纳米管可以将电动能量转换效率提高至74%。随后,Goswami和Chakraborty[33]研究了周期压力梯度和滑移边界条件作用下的纳米通道内的电动能量转换效率,并发现周期压力梯度和滑移边界条件的耦合作用可以进一步提高其转换效率。Yan等[34]在2013年的一项研究中发现,当滑移长度为90 nm时,可以达到上限为50%的转换效率。上述有关滑移边界条件作用下的电动能量转换效率问题的研究都认为滑移长度是一个给定的常数。然而事实上,滑移长度强烈地依赖于表面电荷密度。2015年,北京大学的薛建明教授研究组[35]通过考虑表面电荷对滑移长度的影响,重新探索了碳纳米管中的电动能量转换效率问题。其研究结果表明,当表面电荷从0增加到12e时,碳纳米管的滑移长度从110 nm 降到14 nm。根据模拟结果,估算出最高为30%左右的转换效率。该研究主要关注表面电荷密度及其空间分布对滑移长度和转换效率的影响。此外,2018年,Buren等[36]研究了依赖于表面电荷密度的滑移长度对电动能量转换效率的影响机制。结果表明,当考虑表面电荷密度对滑移长度的影响时,速度和能量转换效率均呈现出降低的趋势。综上所述,尽管有相关的理论预测表明滑移边界条件下的转换效率很高,但是仍然缺乏相应的实验证明。

3 离子导电膜中的电动能量转换效率的研究进展

离子导电膜是一种聚合物膜,它通常允许溶液中的一部分离子通过并阻止其他离子通过。当选取合适的离子导电膜时,可以使更多的反离子快速的通过膜,从而提高电动能量转换装置的性能。2013年,Bentien等[37]首次通过实验对纳米多孔聚合物膜中的电动能量转换效率进行了系统的研究,发现聚合物膜中的转换效率最高为5.5%。同时,他们预测,对于具有较高表面电荷密度的聚合物膜(如离子交换膜)可以达到更高的效率。2014年,Kilsgaard等[38]验证了Bentien等的预测,发现对于高表面电荷密度的全氟磺酸膜,电动能量转换效率最高可达20%。随后,Haldrup等[39]在2015年发现,对于一个平均孔径为11 nm的硝基/磺化聚苯乙烯膜,转换效率可以达到46%。其电动能量转换装置如图4所示。

图4 薄膜电动发电机的原理图[39]Fig.4 Schematic diagram of a membrane-based electrokinetic power generetor[39]

上述有关聚合物膜中的电动能量转换效率均通过间接测量法求得。2017年,Φstedgaard-Munck等[40]使用直接测量的方法得到了全氟磺酸膜中最高为14%的转换效率。此外,其他重要的贡献包括Catalano和Bentien[41]研究的温度对全氟磺酸117膜中的电动特性和转换效率的影响机制,Haldrup等[42]研究的磺化聚苯乙烯中的电动能量转换问题,Yang等[43]研究的超薄Ti3C2Tx膜中的电动能量转换问题以及Qu等[44]研究的垂直分布的Ti3C2Tx膜对电动能量转换性能的影响机制。这些研究成果表明,聚合物膜的使用可能是实现低成本高效率的电动能量转换的未来途径。

4 液体微射流的电动能量转换研究进展

图5 液体微射流装置[45]Fig.5 Liquid water microjet device[45]

前面提到的纳米通道内和离子电导膜中的电动能量转换问题存在一个共同的局限性,通道表面和流体中的离子在诱导流动电位的作用下会发生反向传导,进而导致输出功率和转换效率的降低。液体微射流装置通过把水分解成液滴列,消除了由于反向传导而造成的能量损耗,从而提高了转换效率。Duffin和Saykally[45]首次研究了液体微射流的电动能量转换效率问题,其实验装置如图5所示。研究结果表明,在不使用离子电导膜的情况下,转换效率超过了10%。该转换效率是Xie等[21]在纳米孔中测得的转换效率的2倍。

2012年,Xie等[46]通过提出新的能量转换机制,重新估算了液体微射流装置的能量转换效率。结果表明,该装置可以产生几千伏的电压,并可以达到15%的转换效率。随后,Xie等[47-48]进一步完善了该装置,将转换效率提高到48%。上述研究报告表明,微喷射系统可以显著提高效率。但是,他们的单喷流设备输出功率低,难以利用。2018年,Li等[49]首次提出了一种多孔微射流阵列装置,通过简单的设计实现了高功率输出的目标。实验结果表明,该装置最大输出电压为85 kV,最大输出电流为1 268.08 nA。这项研究为微射流系统在低功率器件中的应用开辟了新的前景。最近,Xu等[50]通过优化工作条件,证明了单喷流的最大效率可以提高到近80%,这代表了一个有效的电动动能转换,使得基于电动效应的能量转换装置向实际应用又迈进一步。

5 结论与展望

可再生清洁能源对环境的可持续性起着至关重要的作用。在能源转换方面,与传统的发电装置相比,基于电动效应的能量转换装置具有清洁、无噪音以及安全等特性。此外,以表面带电微/纳米通道、电解质溶液和压力梯度为主要组成部分的简单能量转换系统具有一定的应用和商业价值。然而,该能量转换系统也有一些缺点,比如较低的输出功率和相对低的转换效率。为了追求更高的能量转换效率和输出功率,科学家们在精密结构的构建、表面化学改性和界面水动力滑移等方面作出了努力。目前为止,已经通过实验证实离子导电膜以及液体微射流装置的使用都能提高能量转换装置的性能。未来,通过把离子导电膜应用微射流装置中,可能实现电动能量转换效率以及输出功率的进一步提升。综上所述,基于电动效应的能量转换装置结合先进的纳米技术,可以为开发清洁可再生能源的研究和应用开创新的模式。