双电层作用下纳米通道内的离子传输及能量转换特性研究

作     者：刘争 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李昌铮

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 09[农学] 0901[农学-作物学] 0836[工学-生物工程] 090102[农学-作物遗传育种] 

主      题：纳米通道 双电层 离子传输 能量转换 纳流体器件 

摘      要：生物细胞通过细胞膜上的离子通道不停地进行新陈代谢活动,与周围环境进行物质交换。受生物离子通道启发,仿生微纳流体器件在各个领域得到了广泛的应用。随着科学技术的进步,仿生智能纳米通道越来越多地被开发用于转换清洁能源,因为它们具有良好的可调几何形状和化学性质,其内部的离子传输及能量转换特性吸引了广泛的关注。基于此,本文利用数值模拟方法对纳米通道内的离子传输及能量转换特性进行了系统全面的研究。其主要内容如下:（1）建立重叠双电层纳米通道内的离子传输及流动传热模型,对其离子分布、电位分布、电导以及流动传热特性进行研究。结果表明,溶液浓度依赖性的表面电荷和边界滑移显著影响了离子传输、电导和速度分布,进而影响纳米通道内的流体行为和传热。此外,对双电层重叠时的离子传输特征进行了详细地物理机制分析。（2）建立了非对称双层纳米通道中的离子传输模型,比较了四种类型双层纳米通道的离子整流性能。结果表明,仅存在非对称几何不能诱导离子整流,表面电荷的存在是必要的。此外,当左纳米孔施加负表面电荷、右纳米孔施加正表面电荷时,其具有最好的离子整流性能,并且通过调节表面电荷密度、几何参数和离子浓度可以进一步提高离子整流性能:离子整流比值随着表面电荷密度的增加而增加;当双层纳米通道的总长度固定时,离子整流比值随着左侧纳米孔长度的变化存在一个最优值;此外,低离子浓度有助于提高离子整流性能。（3）构建了压力与温差作用下的离子传输及能量转换模型。全面研究了三种电边界条件下的能量转化性能差异、以及温差作用下的纳米通道功率输出性能。结果表明,在三种不同的电边界条件下,能量转换性能表现出明显的偏差。在低和高溶液浓度/p H下,输出功率减弱,存在一个优化的溶液浓度/p H。在温差作用下,由于离子的迁移能力增强及流体粘度降低,其输出功率得到显著提升。在进一步研究soret效应和粘性耗散效应对纳米通道发电的影响时,发现soret效应对离子传输起着重要作用,而粘性耗散效应可以忽略不计。（4）建立了锥形纳米孔中离子传输与能量转换多物理场耦合模型,深入研究了锥形孔方向、温差方向以及大小对离子传输及能量转换性能的影响。结果表明,正负温差在研究范围内均提高了输出功率,且负温差对输出功率和能量转换效率的增强比正温差更显著。在对温差效应的进一步研究中发现,随着温差的增加,电流、扩散电位和输出功率等能量转换特性显示出近似线性的热响应特征。此外,在浓差和温差作用之间发现了一个有趣的竞争机制,它决定了锥形纳米孔的优先方向,以获得更好的输出性能。