1.动电传递现象及其应用(Electrokinetic Transport Phenomena and Their Applications)

（1）压力差驱动的结构非对称微/纳米通道内EKEC特性及其调整效应研究

在典型结构非对称纳米通道——锥形纳米通道中，大小相同但方向相反的两种压力驱动模式使动电（EKEC）的特性参数展现出显著的差异。我们评估了压力差值、表面电荷密度、阳离子扩散系数以及瞬态效应等因素对锥形纳米通道中EKEC特性及调整效应的综合影响[1]。分析了电解质种类、浓差极化效应和表面滑移效应对EKEC性能的耦合影响机制。在数值模拟基础上，构建了一个结构非对称的PDMS微流动芯片EKEC实验测试系统，用于实验分析EKEC的工作机理，为EKEC系统的设计与优化提供了重要的理论依据和实验支持。

（2）生物质多孔介质中的动电现象实验研究

在能源短缺和双碳政策的背景下，只利用环境热能作为能量输入的绿色发电方式迎来快速发展。本团队利用廉价易得的胡萝卜作为原材料，经过简单的冻干及碳化处理，制备了富含多级微纳孔隙结构的碳化胡萝卜样品，其内部的三维网络结构和高zeta电势特性强化了材料的动电效应，实验测得单个碳化胡萝卜样品可以产生约0.8 V的电压和1.7 μW/cm²的功率密度，只需四个样品串联即可驱动微型电子器件（LED，计算器等）工作，实现了能量的高效回收利用[2]。

（3）金属-有机溶剂界面接触起电效应的理论及实验研究

目前的固液接触理论主要基于固体和电解质溶液接触产生的双电层效应，缺乏对于无法电离出自由离子的非电解质研究。因此，本团队利用金属和乙醇作为固液界面主体，从理论计算、仿真模拟和实验三个角度针对基于非电解质的固液界面发电效应展开深入研究。结果表明，固液界面在纳米尺度的吸附作用产生的电子转移是电荷产生的主要原因，其产生的电信号幅值与金属，非电解质的材料本征特性和尺寸效应相关。

（4）电容去离子技术

电容去离子技术（Capacitive deionization，CDI）又称电吸附技术，是一种基于电化学双电层原理进行的新型水处理淡化技术。CDI技术因其在操作简易性、能源效率、环境影响等方面的显著优势，近些年引起了海水淡化领域学者们的广泛关注。本团队以石墨烯作为研究对象，进行了石墨烯基三维多孔水凝胶的简易制备及其电容去离子性能研究。采用低温一步水热还原法简易高效地自组装了三维石墨烯水凝胶(RGO)，并进一步优化构建了石墨烯/聚苯胺复合水凝胶(BPRGC)，并对这两种材料的电化学性能和CDI脱盐性能进行了系统性研究。

References:

[1] F. Qian, W. Zhang, D. Huang, W. Li, Q. Wang, C. Zhao, Electrokinetic power generation in conical nanochannels: regulation effects due to conicity, Phys. Chem. Chem. Phys., 22 (2020) 2386-2398.

[2] K. Jiao, H. Yan, F. Qian, W. Zhang, H. Li, Q. Wang, C. Zhao, Energy harvesting based on water evaporation-induced electrokinetic streaming potential/current in porous carbonized carrots, J. Power Sources, 569 (2023) 233007.

2.液体热电及其应用(Liquid Thermoelectricity and Its Applications)

（1）纳流控热电转换行为及其多效应协同条件

  现有研究初步表明纳流控孔道引入的纳米限域条件有望强化电解质溶液的热电响应，且纳流控热电转换行为是微观上多效应相互叠加的宏观表现。但以往研究未系统地澄清各热电效应的相对大小及相互作用机制，本团队通过建立“准一维”半解析理论模型描述纳流控热电转换行为，厘清其中多效应的竞合关系，最后提炼出多效应的协同条件[1]。

（2）含孔道端口效应的纳流控热电转换的能质传递理论

本团队建立了含端口效应的纳流控热电转换过程能质传递的“分段”半解析理论模型，结合数值模拟重点分析了孔道端口效应在不同纳米孔长径比、不同膜液热导率比条件下对热电响应特性的影响，并对孔道端口效应的作用进行了量化，最后对纳流控孔道结构与特性优化进行了初步探索[2]。

（3）温差/盐差联合驱动膜电势特性与强化

  本团队建立了多能（多热力学力）驱动的单纳米孔内电解质溶液能量转换过程的能质传递理论并分析了其独特特性，进一步探讨纳米多孔荷电膜（或离子选择膜）在温度梯度和盐度梯度（多热力学力）共同作用下的能量转换过程，旨在澄清温差/盐差耦合驱动荷电膜膜电势的特性并提出相应的强化方法[3]。

References:

[1] Zhang W, Farhan M, Jiao K, Qian F, Guo P, Wang Q, Yang CC, Zhao C. Simultaneous thermo osmotic and thermoelectric responses in nanoconfined electrolyte solutions: Effects of membrane properties and nanopore structures[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 618: 333-351.

[2] Zhang W, Liu X, Jiao K, Wang Q, Yang C, Zhao C. Ion steric effect induces giant enhancement of thermoelectric conversion in electrolyte-filled nanochannels [J]. Nano Letters, 2023, 23(17): 8264–8271.

[3] Zhang W, Yan H, Wang Q, Zhao C. An extended Teorell-Meyer-Sievers theory for membrane potential under non-isothermal conditions[J]. Journal of Membrane Science, 2022, 643: 120073.

3.传热优化及极端条件热管理 (Heat Transfer Optimization and Thermal Management under Extreme Conditions)

本团队在传热结构拓扑优化方面主要研究内容：提出了一种无量纲、变物性、双目标拓扑优化模型，用于强制对流热沉设计。通过计算不同工况条件下的流道结构，绘制出帕累托前沿，总结出经验函数，为预测更多工况下的优化曲线提供依据[1]。建立了一种芯片散热器的伪三维拓扑优化模型，由二维热流体设计层和二维导热基板层组成。该模型可以提高计算效率，并得到与三维模型接近的优化结果。提出了一种二维多约束的热流耦合拓扑优化方法，同时考虑换热性能和流动性能，以提高优化结果的实际应用性。

References:

[1]   Zou A Q, Chuan R, Qian F, et al. Topology optimization for a water-cooled heat sink in micro-electronics based on Pareto frontier [J]. Applied Thermal Engineering, 2022, 207：118-128.

4.科学智能及其在传热传质问题中的应用 （AI for Science and Its Applications in Heat & Mass Transfer Problems）

  物理信息神经网络（PINN）作为一种前沿的神经网络模型，它将物理定律与神经网络相结合，用于解决复杂的物理问题。PINN的核心思想是利用神经网络近似复杂的物理方程，从少量数据中学习出隐含的物理规律，进而实现对未知问题的准确预测和模拟。本团队针对一般输运方程的求解，通过将非守恒型的输运方程转化为守恒型输运方程，构建了用于守恒型输运方程求解的通用物理信息神经网络框架（PINNforCTE）,与传统框架相比我们在计算精度及速度上都有较大提升[1,2]。

References:

[1] Hu C, Cui Y, Zhang W, Qian F, Wang H, Wang Q, Zhao C. Solution of conservative-form transport equations with physics-informed neutral network [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2023, 216: 124546.

[2]崔永赫,张文耀,闫慧龙,等.“硬”边界低阶导数型物理信息神经网络：一种流动求解器[J].西安交通大学学报,2022,56(09):123-133.

5.超滑液体灌注多孔表面及其应用 (Slippery Liquid Infused Surface and Its Applications)

  离子液体作为超滑液体的一种，具有优异的热稳定性和可修饰性等特点。而多孔表面则具有微纳米级别的形貌，可用于功能化基底，两者的结合保证了润滑液在高速环境下能够保持减阻效果的稳定性。本团队探究了金属毛细管中的SLIPS的减阻性能，并通过离子液体灌注的方式提高SLIPS结构表面的性能。同时对电场环境下的液态金属液滴在SLIPS上的动态性能、固体表面形貌对于流体环境中SLIPS结构可靠性的影响和离子液体灌注SLIPS可靠性增加进行了机理分析，明晰了强化SLIPS性能和结构强度的基本途径[1,2]。

References:

[1] Yan HL, Qian F, Jiao K, Zhang WY; Tan ZT, Zhao LR, Wang QW, Zhao CL. Copper capillaries with lubricant-infused walls: fabrication and drag reduction performance[J]. Microfluid and Nano fluidics, 2022, 26(10): 77-83.

[2] Yan HL, Zhang WY, Cui YH, Qian F, Wei DM, Guo PP, Jiao K, Huang J, Wang QW, Zhao CL. Durable drag reduction and anti-corrosion for liquid flows inside lubricant-infused aluminum/copper capillaries[J]. Chemical Engineering Science, 2023, 266: 118275.