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Anomalous Channel‐Length Dependence in Nanofluidic Osmotic Energy Conversion

材料科学 纳米流体学 浓差极化 能量转换 能量转换效率 纳米技术 渗透力 离子 频道(广播) 光电子学 热力学 化学 正渗透 电信 物理 计算机科学 反渗透 生物化学 有机化学
作者
Liuxuan Cao,Feilong Xiao,Yaping Feng,Weiwei Zhu,Wen-Xiao Geng,Jinlei Yang,Xiaopeng Zhang,Ning Li,Wei Guo,Lei Jiang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:27 (9) 被引量:164
标识
DOI:10.1002/adfm.201604302
摘要

Recent advances in materials science and nanotechnology have lead to considerable interest in constructing ion‐channel‐mimetic nanofluidic systems for energy conversion and storage. The conventional viewpoint suggests that to gain high electrical energy, the longitudinal dimension of the nanochannels ( L ) should be reduced so as to bring down the resistance for ion transport and provide high ionic flux. Here, counterintuitive channel‐length dependence is described in nanofluidic osmotic power generation. For short nanochannels (with length L < 400 nm), the converted electric power persistently decreases with the decreasing channel length, showing an anomalous, non‐Ohmic response. The combined thermodynamic analysis and numerical simulation prove that the excessively short channel length impairs the charge selectivity of the nanofluidic channels and induces strong ion concentration polarization. These two factors eventually undermine the osmotic power generation and its energy conversion efficiency. Therefore, the optimal channel length should be between 400 and 1000 nm in order to maximize the electric power, while balancing the efficiency. These findings reveal the importance of a long‐overlooked element, the channel length, in nanofluidic energy conversion and provide guidance to the design of high‐performance nanofluidic energy devices.
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