納米科技與能源

1、納米科技與能源就像毫米、微米一樣，納米是一個尺度概念，是一米的十億分之一，并沒有 物理內涵。當物質到納米尺度以后，大約是在 1100納米這個范圍空間，物 質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子， 也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。第一個真正認識到它的性 能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法做了超微離 子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后， 它就失去原來的性質，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。納米技術的內涵非常廣泛， 它包括納米

2、材料的制造技術，納米材料向各個領域應用的技術（含高科技領域）,在納米空間構筑一個器件實現(xiàn)對原子、 分子的翻切、操作以及在納米微區(qū)內對物 質傳輸和能量傳輸新規(guī)律的認識等等。而能源則更加重要，“能源”這一術語，過去人們談論得很少，正是兩次石 油危機使它成了人們議論的熱點。能源是整個世界發(fā)展和經(jīng)濟增長的最基本的驅 動力，是人類賴以生存的基礎。自工業(yè)革命以來，能源安全問題就開始出現(xiàn)。在 全球經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，國際能源安全已上升到了國家的高度， 各國都制定了 以能源供應安全能源全為核心的能源政策。 在此后的二十多年里，在穩(wěn)定能源供 應的支持下，世界經(jīng)濟規(guī)模取得了較大增長。 但是，人類在享受能源帶來的經(jīng)

3、濟 發(fā)展、科技進步等利益的同時，也遇到一系列無法避免的能源安全挑戰(zhàn)，能源短缺、資源爭奪以及過度使用能源造成的環(huán)境污染等問題威脅著人類的生存與發(fā) 展。納米技術能夠產生具有獨特性質的物質，可推動可再生能源的發(fā)展和利用。預計在最近幾年內，人類將在能源，尤其是可再生能源方面，取得重大突破。人 們將會利用更安全的核電站，更高效的太陽能電池；風能、太陽能、海洋能在我 們的生活中將得到更廣泛的應用。 但是，這些目標的實現(xiàn)都離不開科學，尤其是 新材料方面的重大突破。科學家們關于新材料的設想越來越明晰了。 他們以納米 為單位來設計新材料（1納米等于十億分之一米）。在這樣小的尺寸上，新材料 可以擁有自己特性，這些

4、屆性可以提供理想的功能，特別是把新材料制成復合材 料時，它們的功能就更加強大了。最近一系列研究表明納米技術在能源領域擁有 廣闊潛力。納米材料在太陽能電池中的應用太陽能電池具有方便、無污染和不需燃料等優(yōu)點，考慮到環(huán)境保護、能源的 可持續(xù)發(fā)展和應用等因素，太陽能電池將成為未來社會能源結構中的主要成員。 據(jù)悉，太陽能行業(yè)媒體于2008年6月中旬發(fā)布預測，在假定太陽能電池生產年 增長率為20%的前提下，認為太陽能電池成本可望到2020年降低至低于1美元/ 瓦，到2030年降低至低于0.5美元/Mo納米晶太陽電池因其制作工藝簡單，原 材料便宜，生產成本低（僅為硅基成本的五分之一到十分之一）；適合在非直射

5、光、多云等弱光線條件下，以及光線條件不足的室內條件下運用； 可以使用柔性 基底等優(yōu)點受到了科學家和工業(yè)界的宵睞。與植物進行光合作用的場所葉綠體結 構相比，納米晶太陽電池具有相似的結構。它的納米晶半導體網(wǎng)絡結構相當于葉 綠體中的類囊體，起著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子 的作用；敏化功能材料相當于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。 和光合作用一樣，基于半導體納米材料電極的太陽電池構成了由太陽光驅動的分 子電子泵。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。太陽能發(fā)電技術的地面應用研究已經(jīng)經(jīng)歷了近30年之久，制約其發(fā)展的主要因素是系統(tǒng)的價格太高，

6、目前最為廣泛應用的是硅系列太陽能電池，為了降低成本，兼顧光電轉換效率，各國學者都在致力于各種太陽能電池的探索研究， 其中，納米材料在太陽能電池中的應用即納米晶體化學太陽能電池已經(jīng)成為人們 關注的熱點。北京大學2002年5月22日公開的CN1350334納米晶膜太陽能電 池 電極及其制備方法，涉及一種納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法，以寬 禁帶半導體納米晶膜為基底，在該基底表面吸附一層金屆離子， 再在金屆離子吸 附層上吸附光敏化劑。通過金屆離子的表面修飾，改善電極的光電轉換性能，提 高太陽能電池的光電轉換效率。與單純 TiO2相比，基于金屆離子修飾 TiO2納 米晶太陽能電池的光電轉化效率提高

7、于514%,可作為電極廣泛應用于太陽能領域。納米TiO2太陽能電池有著可以與傳統(tǒng)固態(tài)光伏電池相媲美的高光電轉 換率，加之價格低廉，使這種電池具有廣闊的前景和潛在的商業(yè)價值。雖然此類太陽能電池還存在一些問題,仍需進一步深入研究。但是,納米太陽能電池以其 高效低價無污染的巨大優(yōu)勢挑戰(zhàn)未來，隨著研究推進，這太陽能電池應用前景廣闊無限。氫能源與新興納米儲氫材料氫能源是一種活潔的可再生能源。由于氫能源與新興納米儲氫材料氫能源與 新興納米儲氫材料：傳統(tǒng)的儲氫材料和儲氫技術達不到氫燃料電池電動車實用要 求，儲氫問題已成為氫能源應用中最急需解決的關鍵問題。對于好的儲氫材料， 儲氫的可逆性和穩(wěn)定性是至關重要的。

8、若吸附氫后SWCNs的穩(wěn)定性過低，其結構將遭到破壞。若穩(wěn)定性過高，將不利于可逆地釋放氫。Lu和Scudder等將一端半敞開的SWCNs稱為單壁扶手椅，將氫化時能沿管的一側開裂的形象地稱為 拉鏈碳納米管。他們用從頭計算法計算了氫原子在這些納米管上的化學吸附。計算結果表明，在管的外部氫吸附的結合能遠大于管的內部，并且預言，對于小的扶手椅納米管，在一側選擇性的位點上只要兩排吸附的氫原子就能通過C-H鍵的形成而打破納米管上的最近的 C-C鍵，導致拉開納米管壁的拉鏈。對于大的 扶手椅和拉鏈納米管在對抗拉鏈的開裂中是相對穩(wěn)定的。在管的內部吸附的氫原子不破壞納米管的C-C鍵。這種氫引起的納米管的破裂或者 拉

9、開拉鏈”不但被 理論上預言，而且實驗上也已觀察到。理論和實驗上的研究都表明了， 與具有更 小直徑的SWCNs相比較時，直徑越大的納米管具有越小的曲率限制而整個具有 更低的反應活性，因此對于由氫化引起的蝕刻（破裂）具有更大的抵抗力。Nikitin 和Li等的研究顯示，在樣品1中一旦碳納米管達到30%的氫化度，另外的氫處 理就引起SWCNs膜的蝕刻。T2樣品的情形是相當不同的，他們的結果表明， 在樣品中的SWCNs用適度的H處理時不分解。此外，已經(jīng)證明具有半導性質 的SWCN在用氫等離Nikitin和Li等2的結果表明,T1子體處理下比具有金屆性 質的更穩(wěn)定。和T2 SWCN樣品在氫處理下具有不同

10、的行為 對于T1樣品30%的 氫化 就能使納米管具有隨后材料蝕刻的不穩(wěn)定性，而對于 T2樣品幾乎100%的 氫化的納米管也是穩(wěn)定的。他們注意到納米管的直徑分布對于T1樣品，其平均直徑在1.6 nm左右，而對于T2樣品是在2.0 nm左右。這種平均直徑的差別可 能是觀察到的T1和T2樣品蝕刻情形的差異的理由之一。他們實驗中的直徑為 2.0 nm左右的SWCNs不但具有最高的質量比和儲氫容量， 并且吸氫是可逆的， 吸氫后在室溫下是穩(wěn)定性的?？梢哉f，這些 SWCNs已經(jīng)具備了儲氫材料應該有 的優(yōu)越性能。物理和化學方法儲氫，需昂貴的設備。而碳納米材料可以提供一種 有效而活潔的儲氫方式。這種材料如果用于

11、燃料電池汽車中的儲氫材料，可以有 效避免空氣污染或排放溫室氣體。人們很早就知道，某些固體材料（如金屆氫化 物等）在室溫條件下可以儲存少量的氫（約為自重的 1%-2%）。有些金屆氫化物 可儲存更多的氫（為其自重的5%-7%）但所需的儲氫溫度極高，250C甚至更高。 然而，碳納米管和納米纖維即使在室溫下也能很好的吸收氫，每個顆粒 都是一 個微小的吸氫 海綿”。這種材料就有廣闊的應用前景，可用來制造燃料電池汽 車中的氫容器。添加燃料時只需將汽車駛入加油站，將空的氫容器注滿氫即可。 美國再生能源實驗室的赫賓是該領域的帶頭人，他認為主要與碳納米材料的表面 結構有關。麻省理工學院的德雷斯爾豪 斯及其同事所

12、從事的研究支持這一觀點， 并將其成果發(fā)表在近期的科學上。美國能源部的計算結果表明，碳材料只要 儲存其自重6.5%的氫，就可使燃料電池汽車具有實用價值（設定兩個加油站問 的距離是500公里，即310英里）。我國科學家也正在積極系統(tǒng)地研究納米碳管 的儲氫、吸波和場發(fā)射特性，力爭使碳納米管材料和器件實用化。納米材料將廣泛應用到新能源領域透過玻璃一一納米復合透明材料太陽能電池也可應用到建筑物，如在窗戶 上。德國弗勞恩霍夫研究所機械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計算機模型來探索原子結構并來模擬電子運行模式。來自德國研究所的沃爾夫岡柯納說，傳導材料和透明材料的良好結合可能會產生完全透視

13、電子。 復合材料的納米結構也能使較輕的材料擁有很大的機械強度。復合材料，例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂， 已經(jīng)廣泛應用在生產制造業(yè)，用來生產汽車 和飛機等。但是，通過控制纖維生產過程中的方向， 可以產生變形復合材料，這 種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。 這種變化可以來自外部控制，也可以是 自發(fā)產生的，例如，對溫度、壓力、和速度引發(fā)的變化。在英國的布里斯托爾大 學先進復合材料創(chuàng)新和研究中心進行的研討會透露，這種變形復合材料可以用于 生產能效更高的風電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片。 一種雙穩(wěn)態(tài)復合材料能夠快速改變 其空氣動力狀況，這也將有助于消除刀片上不需要的壓力。 這將提高其效率，延 長葉片的

14、使用壽命，并且改善發(fā)電系統(tǒng)。變形復合材料意味著潮汐發(fā)電機可以制 得更小，在商業(yè)上更具競爭力。依這種方式，材料科學上的些許變化將為可再生 能源創(chuàng)造遠大前程。納米材料用于活潔能源人類在享受汽車帶來的便利的同時，也不得不忍受汽車尾氣造成的空氣污染， 而全球變暖和油價高起更讓尋找替代能源成了迫切的要求。太陽能汽車、氫燃料電池汽車、油電混合動力汽車應運而生。盡管它們正在獲得越來越多的認可，卻依然不盡如人意。根據(jù)比奇的計算，使用特制的發(fā)動機和同等體積的金屆燃料，一 輛轎車的行駛距離是普通汽油動力汽車的 3倍。而且由于燃燒的是金屆燃料，它 幾乎沒有污染，也就是說沒有二氧化碳、氮氧化物，也沒有灰塵和煤煙。這種

15、金屆 燃料甚至還可以被循環(huán)使用。只要將用過的納米顆粒放到氫氣環(huán)境下進行加熱，它們就會再次成為可用的燃料。沉甸甸、冷冰冰的鐵塊中居然蘊藏著能量，而且還能被點燃？不過，既然汽車可以用各種各樣的燃料比如甲烷、煤粉以及火藥作為 動力來源，那么它為何就不能以金屆作為燃料呢。事實上，正常狀態(tài)下的鐵是不能 被 用做燃料的，但是當鐵塊被加工成納米級的微粒時，它就具有了很高的反應活 性，將其點燃會釋放出大量能量。金屆燃料優(yōu)點多多：雖然這樣設計出的發(fā)動機 與常規(guī)汽車發(fā)動機很像，但它不會產生二氧化碳、氮氧化物或有害微粒。這些復 合物通常在高溫燃燒中產生，而比奇等人通過控制簇的大小，已經(jīng)可以將金屆的燃 燒溫度降到52

16、5度。他們接下來的工作是尋找燃燒的速度、溫度和效率三者問的 平衡。盡管相對于氫燃料而言，金屆是一種緊湊的燃料，但它卻有一個明顯的缺點重量。一個行駛距離等效 5升油箱的鐵燃料箱重約100公斤,比普通油箱重兩倍多。并且由于金屆燃料燃燒后廢物不會被排放到空氣中，在整個行駛過程中車重都不會減輕，這也增加了運輸?shù)某杀?。不過金屆燃料的優(yōu)勢還是很明顯的。除了環(huán)保外，金屆燃料還具有攜帶方便、儲存安全、體積小的優(yōu)點。在減輕重量 方面，也有可提升的空間。如果使用鋁納米顆粒來替代鐵的話，同樣重量的燃料可以得到4倍的能量，如果使用硼的話，可以得到6倍的能量。雖然這兩種材料都比 鐵貴一一鋁的價格是鐵的15倍，但從另一個角度來考慮，由于金屆燃料不會被消 耗，可以循環(huán)使用的，真正的使用成本在于將金屆氧化物還原為燃料的過程，而這一過程中各種金屆燃料的轉化成本差異不大，所以金屆燃料本身的