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Ionic thermal up-diffusion in nanofluidic salinity-gradient energy harvesting

离子键合 材料科学 扩散 温度梯度 等温过程 化学物理 纳米技术 离子 化学 热力学 生物化学 物理 有机化学 量子力学
作者
Rui Long,Zhengfei Kuang,Zhichun Liu,Wei Liu
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:6 (6): 1266-1273 被引量:78
标识
DOI:10.1093/nsr/nwz106
摘要

Advances in nanofabrication and materials science give a boost to the research in nanofluidic energy harvesting. Contrary to previous efforts on isothermal conditions, here a study on asymmetric temperature dependence in nanofluidic power generation is conducted. Results are somewhat counterintuitive. A negative temperature difference can significantly improve the membrane potential due to the impact of ionic thermal up-diffusion that promotes the selectivity and suppresses the ion-concentration polarization, especially at the low-concentration side, which results in dramatically enhanced electric power. A positive temperature difference lowers the membrane potential due to the impact of ionic thermal down-diffusion, although it promotes the diffusion current induced by decreased electrical resistance. Originating from the compromise of the temperature-impacted membrane potential and diffusion current, a positive temperature difference enhances the power at low transmembrane-concentration intensities and hinders the power for high transmembrane-concentration intensities. Based on the system's temperature response, we have proposed a simple and efficient way to fabricate tunable ionic voltage sources and enhance salinity-gradient energy conversion based on small nanoscale biochannels and mimetic nanochannels. These findings reveal the importance of a long-overlooked element-temperature-in nanofluidic energy harvesting and provide insights for the optimization and fabrication of high-performance nanofluidic power devices.

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