聚电解质涂层纳米流体通道表面褶皱与粗糙度工程在渗透能收集中的增强作用

本文通过耦合Poisson-Nernst-Planck（PNP）和Navier-Stokes（NS）方程数值模拟，系统研究了聚电解质（PEL）涂层纳米通道表面粗糙度对纳米流体反向电渗析（NRED）性能的影响。研究发现，适度粗糙度（MNk=200）虽降低渗透电流IOS达39%，但能将阳离子迁移数t+提升至0.97，并在CH/CL=100时产生107 mV扩散电位Ediff。优化通道几何（Rn=45 nm, Rs=5 nm）和高PEL电荷密度（NPEL=100 mol e-/m3）可实现14.04 pW最大功率Pmax和0.49能量转换效率ηmax，为渗透能收集技术提供了表面工程新策略。

　　

Highlight

本研究首次建立随机褶皱诱导表面粗糙度与聚电解质层（PEL）的耦合模型，揭示二者协同调控离子传输的机制。通过整合软-硬界面离子分配效应，量化了功率输出（P_max）与转换效率（η_max）的权衡关系，构建了涵盖粗糙度振幅（A）、PEL特性（N_PEL）和离子强度的性能图谱，为下一代纳米流体膜设计提供实践指导。

Physical model

研究采用圆柱形纳米通道物理模型（如图1），通道两端连接含盐度梯度（C_H/C_L）的电极体系。通过引入最大节点数（MNk）和振幅（A）参数定义表面粗糙度，结合PEL厚度（R_s）和电荷密度（N_PEL）等变量，系统探究其对电双层（EDL）重叠和离子选择性的影响。

Solution procedure

采用COMSOL Multiphysics 6.0求解PNP-NS耦合方程：化学物质传输模块处理离子迁移，蠕动流模块捕捉低雷诺数流体动力学。网格独立性验证显示相对误差<2%，计算域设置满足L/R_n>50以保证充分发展流。

Results and discussions

电流-电压（I-V）曲线显示粗糙表面使I_OS降低但显著提升t₊。当A=3 nm时，EDL空间重构使阳离子通量增加40%。性能图谱表明：R_n=45 nm与N_PEL=100 mol e^-/m³组合可同步优化P_max（14.04 pW）和η_max（0.49）。

Conclusions

研究表明：表面粗糙度通过调制EDL分布缓解离子浓度极化（ICP），而PEL电荷密度主导离子选择性。优化后的纳米通道在C_H/C_L=100时实现t₊≈0.97和E_diff=107 mV，为高性能NRED系统设计提供理论框架。