基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置研究進(jìn)展

劉勇波

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022; 2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)中心,內(nèi)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(dāng)前獲取的主要能源?；剂系娜紵尫懦龅拇罅慷趸肌⒍趸蚝偷趸衔锏扔泻怏w,以及因二氧化碳排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng),正成為人類和環(huán)境所面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)。此外,化石燃料屬于不可再生能源,不斷開發(fā)使其儲量日趨減少,已經(jīng)不足以滿足人類日益增長的能源需求。開發(fā)利用清潔和可再生能源對于人類所面臨的環(huán)境和能源危機(jī)具有重要意義。到目前為止,已經(jīng)開發(fā)了一系列諸如風(fēng)能[1]、太陽能[2]和地?zé)崮躘3]等可再生能源。然而,由于受到天氣、地理和環(huán)境等因素的限制,這些應(yīng)用仍存在一定的局限性[4]。科學(xué)家們正致力于探索更多的能量轉(zhuǎn)換裝置。最近,基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置因其清潔度高、操作簡單、低成本高效益等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注[5]。該裝置主要由壓力傳感器、微/納米通道以及電解質(zhì)溶液組成。與傳統(tǒng)的具有大型機(jī)械部件的發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)。因此,可通過擴(kuò)大該設(shè)備的規(guī)模來收集海洋能源[6]。

本文綜述了近年基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置的主要研究進(jìn)展。首先介紹納米通道內(nèi)的電動能量轉(zhuǎn)換機(jī)理,并給出了納米通道內(nèi)電動能量轉(zhuǎn)換效率的研究進(jìn)展; 其次介紹離子導(dǎo)電膜對提高上述能量轉(zhuǎn)換效率的研究進(jìn)展; 然后給出壓力梯度作用下由微射流引起的電動能量轉(zhuǎn)換研究進(jìn)展; 最后對電動能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

1 電動能量轉(zhuǎn)換理論

1.1 雙電層理論

當(dāng)微納通道的固體表面與其中的溶液接觸時(shí),由于物理吸附作用或者化學(xué)反應(yīng),通常使得固體表面帶負(fù)電荷。帶電荷的固體表面吸引電解質(zhì)溶液中的反離子(陽離子),同時(shí)排斥溶液中的共離子(陰離子),從而在固液界面處形成一個(gè)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(kuò)散層(diffuse layer)組成,擴(kuò)散層內(nèi)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(zhuǎn)換

當(dāng)電解質(zhì)溶液在壓力梯度(pressure gradient)的作用下通過微納米通道時(shí),由于雙電層內(nèi)的凈電荷隨溶液進(jìn)行定向遷移,所以會產(chǎn)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(gè)與流體流動方向相反的誘導(dǎo)流動電位。此時(shí),在通道兩端接兩個(gè)電極并外接一個(gè)負(fù)載(load),則可以形成一個(gè)電流回路。該裝置可以將機(jī)械能(由壓力梯度引起的)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)電動能量轉(zhuǎn)換效率的研究進(jìn)展

1964年,Osterle[12]在研究微通道中的流動時(shí)首次發(fā)現(xiàn),利用電動效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換。然而,根據(jù)他的計(jì)算,電動能量轉(zhuǎn)換效率非常低,僅為0.392%。這個(gè)極低的轉(zhuǎn)換效率不利于實(shí)際應(yīng)用。因此,這一研究內(nèi)容在20世紀(jì)幾乎沒有進(jìn)展。直到最近,隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)以及微納米制造技術(shù)的快速發(fā)展,研究人員再次關(guān)注微納米通道內(nèi)基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換問題[13],試圖開發(fā)和利用一種新的清潔和可再生能源。在實(shí)際應(yīng)用中,能量轉(zhuǎn)換裝置必須擁有較大的功率密度以及較高的轉(zhuǎn)換效率。因此,近年來的研究主要集中于如何提高其轉(zhuǎn)換效率以及功率密度[14-18]。由于單個(gè)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(gòu)建電動電池的方法,將n個(gè)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電動能量轉(zhuǎn)換效率是通道高度和溶液濃度的函數(shù),并發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙電層重疊時(shí)轉(zhuǎn)換效率最高,這對應(yīng)于納米通道中充滿了低離子強(qiáng)度的水溶液。他們在一個(gè)75 nm高的矩形通道中得到了最高為 3.2%的轉(zhuǎn)換效率。此外,他們還發(fā)現(xiàn),降低Stern層的電導(dǎo)能顯著提高轉(zhuǎn)換效率,這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對于后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究有一定的指導(dǎo)意義。2008年,Xie等[21]通過測量流動電流和相應(yīng)的電導(dǎo)率探索了納米孔內(nèi)的電動能量轉(zhuǎn)換效率。其研究表明,納米孔的表面性質(zhì)對其中的動電學(xué)行為有重要的影響,特別是當(dāng)電解液濃度較低時(shí)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(zhuǎn)換效率,這是目前為止該類型裝置通過實(shí)驗(yàn)得到的最高電動能量轉(zhuǎn)換效率。近年來,科學(xué)家們對此類電動能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了很多理論上的改進(jìn),包括使用不同電解質(zhì)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(xiàng)成果是,發(fā)現(xiàn)利用滑移邊界條件可以顯著提高轉(zhuǎn)換效率。

2008年,Ren和Stein[32]首次通過理論模型預(yù)測,當(dāng)滑移長度為30 nm時(shí),納米通道內(nèi)的電動能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%。他們同時(shí)預(yù)測,使用碳納米管可以將電動能量轉(zhuǎn)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(nèi)的電動能量轉(zhuǎn)換效率,并發(fā)現(xiàn)周期壓力梯度和滑移邊界條件的耦合作用可以進(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)換效率。Yan等[34]在2013年的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)滑移長度為90 nm時(shí),可以達(dá)到上限為50%的轉(zhuǎn)換效率。上述有關(guān)滑移邊界條件作用下的電動能量轉(zhuǎn)換效率問題的研究都認(rèn)為滑移長度是一個(gè)給定的常數(shù)。然而事實(shí)上,滑移長度強(qiáng)烈地依賴于表面電荷密度。2015年,北京大學(xué)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(zhuǎn)換效率問題。其研究結(jié)果表明,當(dāng)表面電荷從0增加到12e時(shí),碳納米管的滑移長度從110 nm 降到14 nm。根據(jù)模擬結(jié)果,估算出最高為30%左右的轉(zhuǎn)換效率。該研究主要關(guān)注表面電荷密度及其空間分布對滑移長度和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制。結(jié)果表明,當(dāng)考慮表面電荷密度對滑移長度的影響時(shí),速度和能量轉(zhuǎn)換效率均呈現(xiàn)出降低的趨勢。綜上所述,盡管有相關(guān)的理論預(yù)測表明滑移邊界條件下的轉(zhuǎn)換效率很高,但是仍然缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證明。

3 離子導(dǎo)電膜中的電動能量轉(zhuǎn)換效率的研究進(jìn)展

離子導(dǎo)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(dāng)選取合適的離子導(dǎo)電膜時(shí),可以使更多的反離子快速的通過膜,從而提高電動能量轉(zhuǎn)換裝置的性能。2013年,Bentien等[37]首次通過實(shí)驗(yàn)對納米多孔聚合物膜中的電動能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)聚合物膜中的轉(zhuǎn)換效率最高為5.5%。同時(shí),他們預(yù)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(dá)到更高的效率。2014年,Kilsgaard等[38]驗(yàn)證了Bentien等的預(yù)測,發(fā)現(xiàn)對于高表面電荷密度的全氟磺酸膜,電動能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)20%。隨后,Haldrup等[39]在2015年發(fā)現(xiàn),對于一個(gè)平均孔徑為11 nm的硝基/磺化聚苯乙烯膜,轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到46%。其電動能量轉(zhuǎn)換裝置如圖4所示。

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

上述有關(guān)聚合物膜中的電動能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。此外,其他重要的貢獻(xiàn)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(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制,Haldrup等[42]研究的磺化聚苯乙烯中的電動能量轉(zhuǎn)換問題,Yang等[43]研究的超薄Ti3C2Tx膜中的電動能量轉(zhuǎn)換問題以及Qu等[44]研究的垂直分布的Ti3C2Tx膜對電動能量轉(zhuǎn)換性能的影響機(jī)制。這些研究成果表明,聚合物膜的使用可能是實(shí)現(xiàn)低成本高效率的電動能量轉(zhuǎn)換的未來途徑。

4 液體微射流的電動能量轉(zhuǎn)換研究進(jìn)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(nèi)和離子電導(dǎo)膜中的電動能量轉(zhuǎn)換問題存在一個(gè)共同的局限性,通道表面和流體中的離子在誘導(dǎo)流動電位的作用下會發(fā)生反向傳導(dǎo),進(jìn)而導(dǎo)致輸出功率和轉(zhuǎn)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(dǎo)而造成的能量損耗,從而提高了轉(zhuǎn)換效率。Duffin和Saykally[45]首次研究了液體微射流的電動能量轉(zhuǎn)換效率問題,其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。研究結(jié)果表明,在不使用離子電導(dǎo)膜的情況下,轉(zhuǎn)換效率超過了10%。該轉(zhuǎn)換效率是Xie等[21]在納米孔中測得的轉(zhuǎn)換效率的2倍。

2012年,Xie等[46]通過提出新的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制,重新估算了液體微射流裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果表明,該裝置可以產(chǎn)生幾千伏的電壓,并可以達(dá)到15%的轉(zhuǎn)換效率。隨后,Xie等[47-48]進(jìn)一步完善了該裝置,將轉(zhuǎn)換效率提高到48%。上述研究報(bào)告表明,微噴射系統(tǒng)可以顯著提高效率。但是,他們的單噴流設(shè)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高功率輸出的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàng)研究為微射流系統(tǒng)在低功率器件中的應(yīng)用開辟了新的前景。最近,Xu等[50]通過優(yōu)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(gè)有效的電動動能轉(zhuǎn)換,使得基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置向?qū)嶋H應(yīng)用又邁進(jìn)一步。

5 結(jié)論與展望

可再生清潔能源對環(huán)境的可持續(xù)性起著至關(guān)重要的作用。在能源轉(zhuǎn)換方面,與傳統(tǒng)的發(fā)電裝置相比,基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)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(zhì)溶液和壓力梯度為主要組成部分的簡單能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用和商業(yè)價(jià)值。然而,該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn),比如較低的輸出功率和相對低的轉(zhuǎn)換效率。為了追求更高的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,科學(xué)家們在精密結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、表面化學(xué)改性和界面水動力滑移等方面作出了努力。目前為止,已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)離子導(dǎo)電膜以及液體微射流裝置的使用都能提高能量轉(zhuǎn)換裝置的性能。未來,通過把離子導(dǎo)電膜應(yīng)用微射流裝置中,可能實(shí)現(xiàn)電動能量轉(zhuǎn)換效率以及輸出功率的進(jìn)一步提升。綜上所述,基于電動效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合先進(jìn)的納米技術(shù),可以為開發(fā)清潔可再生能源的研究和應(yīng)用開創(chuàng)新的模式。