納米材料在新能源領域中的應用

1、 納米材料在新能源領域中的應用學科: 納米材料 班級: 能科131班 姓名: 李陽 學號: 1308020200 教師: 目錄摘要. .31緒論 .32納米技術與太陽能.32.1納米線太陽能電池.42.2染料敏化納米晶Ti02太陽能電池.42.3納米晶/聚合物電池.52.4納米銀增強聚合物太陽能電池.63納米技術與風能.63.1應用于風機齒輪箱的納米潤滑添加劑.63.2碳納米管/高分子納米復合材料在風機葉片中的應用研究.73.3納米粒子增強基體樹脂用于碳纖維風機葉片棒材.84納米材料與其他新能源.85展望.9摘要 能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是當今世界人類社會的兩個重要發(fā)展戰(zhàn)略。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，

2、人們對能源的需求正在不斷增長，新能源的發(fā)展勢在必行。同時，納米技術作為一種新科技需要一個良好的操作空間，新能源領域由于投入大、發(fā)展快、起步低、改革成本低所以十分適合諸多納米技術的引進與發(fā)展。因此本文將會結(jié)合筆者所屬的新能源專業(yè)來介紹納米材料的應用。其中最被看好的是應用于太陽能電池，提升太陽能電池的性能。而在風能領域中，雖然大多停留在實驗室階段，但仍具有十分廣闊的應用前景。除此以外也有很多其他新能源的納米應用，比如儲氫電池等，也是具有巨大價值的。我們有足夠的信心相信將來納米與新能源將是強有力的結(jié)合，以全新的面貌改變我們的生活。關鍵詞：納米新能源、風能、太陽能、納米材料1緒論 人類進入二十一世紀以

3、來,和諧與發(fā)展已是永恒的主題,能源與環(huán)境已成為全球關注的焦點。能源是人類活動的物質(zhì)基礎,環(huán)境是人類賴以生存的外部條件,解決能源短缺和環(huán)境污染問題是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量和保障國家安全的迫切需要。急劇增加的世界人口和不斷推進的工業(yè)化進程更使得世界能源消耗量飆升。據(jù)預測,以目前的消耗速度,即使是地球儲量較豐富的煤炭資源,在未來200年內(nèi)也將消耗殆盡。同時,以煤、石油、天然氣為主的化石燃料的燃燒釋放的大量的有害氣體(CO、H2S、SO2、NOx等)、溫室氣體(C02)、粉塵及碳氫化合物等有害物質(zhì),又帶來了酸雨、臭氧層破壞、熱污染、放射性污染、“溫室效應”等諸多嚴重影響人體健康的環(huán)境問題。在

4、能源危機和環(huán)境問題的雙重壓力下,太陽能、風能等作為取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源引起了全世界研究人員的熱切關注。1 然而，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。其中不得不談到納米技術，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，在這樣小的尺寸上，新材料可以擁有自己的特性，這些屬性可以提供理想的功能2，最近一系列研究表明，納米材料在能源領域擁有廣闊潛力。因此，諸多應用于新能源領域的納米技術問世以及投入運作。32納米技術與太陽能 世界上最豐冨的可再生能源就是太陽能,而對太陽能高效利用最有前景的一種方式是太陽能電池。太陽能電池從發(fā)明到現(xiàn)在,已經(jīng)有200多

5、年了。然而太陽能電池在能源領域的應用卻依然無法與傳統(tǒng)能源所抗衡。阻礙太陽能電池大規(guī)模應用的原因主要有兩個:相對較低的光電轉(zhuǎn)換效率和較高的制造成本。4為了解決這兩個問題,目前有大量的研究工作圍繞納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池而展開,以提高太陽能電池的表現(xiàn)。52.1納米線太陽能電池 為了提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率并且降低太陽能電池的制造成本,最近幾年,科研人員把注意力集中在納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池上。它們將傳統(tǒng)的三維體材料電池,變成二維的納米線太陽能電池,甚至是一維的量子點結(jié)構(gòu)太陽能電池,以達到提升電池轉(zhuǎn)換效率的目的。2 納米線在太陽能電池上的應用主要有3種，(1)納米線結(jié)構(gòu)作為減反層;(2)軸向pn結(jié)納米線電池

6、;(3 )徑向pn結(jié)納米線電池。6 納米線最簡單、最直接的應用就是制作在太陽能電池的表面,作為減反層來提高電池的效率。相比于傳統(tǒng)的平板和薄膜太陽能電池,納來線太陽能電池有優(yōu)異的減反射效果。這是由于入射光在納米線中會進行多次散射,形成“陷光效應”,從而增加被吸收的幾率。并且納米線對入射光的偏振方向,入射角度,入射波長也不敏感,導致納來線對入射光有很強的捕獲能力。軸向pn結(jié)納米線電池的設計與制作起源于疊層薄膜電池。它采用各種不同禁帶寬度的子電池沿軸向堆疊形成。實際制作中,它是依靠不同子電池的摻雜不同或者制作材料不同而形成堆疊的pn結(jié)。軸向pn結(jié)納米線電池現(xiàn)在的研究方向主要是在納來線中制作疊層的量子

7、以提高電池的效率。6徑向pn結(jié)的納米線的結(jié)構(gòu)如下圖。 2.2染料敏化納米晶Ti02太陽能電池 新近發(fā)展起來的的染料敏化太陽能電池受到國內(nèi)外研究者的普遍關注。染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到上世紀60年代,德國科學家Tributseh等首次發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導體上在一定條件下能產(chǎn)生電流,成為光電化學電池的重要基礎。3然而,直到1991年以前,大多數(shù)染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率都非常低,均小于1%。7但是到了目前，染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率己穩(wěn)定在10%以上。8 其中，納米多孔二氧化鈦的技術改變尤為重要，即采用了納米顆粒、納米管、納米線、納米纖維等不同形貌的納米結(jié)構(gòu)。9它的成本為S

8、i太陽能電池的1/5到1/10,使用壽命可達15年以上。該類太陽能電池具有結(jié)構(gòu)、工藝簡單、成本低廉、易于制造的優(yōu)點;其光電壓是納米二氧化鐵在光照下的費米能級與電解質(zhì)氧化-還原電勢之差,對光強度變化和溫度變化不敏感,光穩(wěn)定性好,對環(huán)境無污染,是一種非常有前途的清潔太陽能裝置。一旦染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率進一步提高,封裝問題、使用壽命問題得到很好的解決,染料敏化太陽能電池很有可能在不久的將來成為一種具有競爭力的商業(yè)化產(chǎn)品。10因此,染料敏化太陽能電池的研究對緩解當今世界的能源危機問題具有非常重要的現(xiàn)實意義。11在染料敏化太陽能電池的膜電極中加入尺寸較大的二氧化鐵顆粒(如尺寸處在100到40

9、0 nm的一維結(jié)構(gòu)材料、尺寸約100 nm的二維結(jié)構(gòu)材料和尺寸處在幾百納米到1 的三維空心結(jié)構(gòu)材料等)后,這些尺寸較大的二氧化鈦顆粒能夠作為光散射中心,從而增加光在膜中的光程。122.3納米晶/聚合物電池 常見的納米晶/聚合物太陽能電池是由陰陽極納米晶與聚合物復合的光活性層陽極緩沖層等幾部分組成，其中，聚合物用作電子給體和空穴傳輸介質(zhì)，納米晶用作電子受體和電子傳輸介質(zhì)其結(jié)構(gòu)及能級圖如圖所示13、在光照下，電池中的半導體納米晶和聚合物同時吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對由于納米晶具有較強的電子親合力( 電勢能) ，而聚合物電離能相對較低，兩者之間的電勢差形成電場14，在該電場中，電子空穴對分離形成載流子

10、( 納米晶受體上的電子和聚合物給體上的空穴) ，分離后的電子和空穴分別沿著各自的路徑運行到相應電極，從而形成電流$由于半導體納米晶具有較高的電子親合能和遷移率，且其比表面積大，與聚合物形成 p-n 結(jié)，為電荷分離提供了充足的動力和界面，利于提高電池效率。142.4納米銀增強聚合物太陽能電池 基于共軛聚合物給體材料P3HT 和富勒烯衍生物受體材料PCBM 共混的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池因其空穴載流子遷移率低而限制了P3HT:PCBM 功能層厚度, 從而影響了器件對入射光的吸收. 在聚合物功能層內(nèi)引入金屬納米顆?？梢岳媒饘俦砻娴入x子體效應增強器件內(nèi)電場并改善器件的光吸收。通過在器件內(nèi)引入金

11、屬納米顆粒, 可利用等離子體增強效應增加入射光子在功能層傳輸光程. 對于聚合物太陽能電池而言, 使用等離子體增強效應以高效利用太陽光意味著聚合物功能層可以進一步減薄。15 利用FDTD 方法分析了納米銀增強型聚合物太陽能電池內(nèi)光電場分布以及納米銀對器件光吸收的增強作用, 發(fā)現(xiàn): 在聚合物功能層中加入納米銀顆粒后, 由于納米銀對光的散射作用, 器件內(nèi)電場局域增強導致器件在380700波長范圍內(nèi)的光吸收均有所增強. 通過對平板型和納米銀光吸收增強型聚合物太陽能的性能對比實驗發(fā)現(xiàn):摻雜納米銀的聚合物功能層最大光吸收在波長為445 nm 處增強了41.7%, 外量子效率在520 nm 處提高了17.9

12、%.3納米技術與風能 現(xiàn)今的中國，風能發(fā)電量超越了核能，排在第三位，僅次于傳統(tǒng)的火電與水電。風能的應用前景是十分廣闊的，據(jù)調(diào)查，中國可利用風能發(fā)電量是用電量的兩倍，十分充足。而風電發(fā)展也只是起步，還需要時間與不斷的技術革新。于是已經(jīng)有很多研究人員已經(jīng)開始利用納米材料優(yōu)異的性質(zhì)來著手改進風能發(fā)電技術。而取得的成果也是十分喜人的。3.1應用于風機齒輪箱的納米潤滑添加劑風能轉(zhuǎn)換為電能的風力渦輪機中，齒輪和其他機械組件的一些關鍵組件，它們的耐久性和效率都受到一些摩擦問題如微點蝕、磨損、擦傷、剝落受損。為了解決這些問題，在這項研究中，提出了將表面處理的組合方法（電解滲硼）配合納米潤滑油添加劑的使用。氮化

13、硼基固體潤滑劑的制造和平面齒輪鋼試樣滲硼滲硼過程中使用了一種新型的電化學。納米潤滑油添加劑及滲硼表面的組合測試其摩擦學性能，主要是摩擦磨損，在很寬的范圍內(nèi)使用一個滑動接觸的線性往復接觸條件。試驗后的表面進行分析，探討摩擦化學作用與鋼表面摩擦膜的化學表征膠體潤滑劑采用XPS（X射線光電子能譜）。磨損的特征還在于，使用光學輪廓測量。滲硼表面增強的表面層的機械性能，提高耐磨性。此外，據(jù)觀察，氮化硼一直分散在油中形成穩(wěn)定的摩擦膜，以達到提高摩擦學性能的重要17。有望提高耐久性和先進的風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)部件效率。3.2碳納米管/高分子納米復合材料在風機葉片中的應用研究 碳納米管（CNTs）是一種管狀一

14、維納米材料，具有優(yōu)異的力學、電學、熱學性質(zhì)。通過在高分子基體中添加少量的CNTs,就可以使材料的性能得到非常顯著的改善。例如在典型的葉片用環(huán)氧樹脂中添加0.5%的CNTs,材料的導熱率可以提高80%以上，碳納米管/高分子納米復合材料還具有獨特的多功能性質(zhì)。18通過在風機葉片材料纖維增強復合材料的組分（纖維或基體）中引進碳納米材料，可以提高基體的性質(zhì)以及纖維和FRP基體之間的界面作用，進而為改善風機葉片的整體性能提供了可能。19 自從日本科學家年首次發(fā)現(xiàn)了碳納米管以來，碳納米管以質(zhì)量輕、彈性模量高、抗拉強度高、韌性高，且長徑比高達100-1000nm。作為增強相用以提高復合材料的力學性能受到廣泛

15、關注。風機葉片作為風力發(fā)電機組的關鍵核心部件，它的性能至關重要。隨著葉片尺寸越來越大，其重量和性能要求也越來越高，它的選材、設計和制造工藝直接影響風力發(fā)電機組的整體性能、風能的利用率和風力發(fā)電的經(jīng)濟性。17風機葉片常用材料為玻璃纖維、環(huán)氧樹脂碳纖維、環(huán)氧樹脂復合材料或碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂混雜材料。若將碳納米管作為增強相，添加到玻璃纖維或碳纖維復合材料中制成碳納米管增強玻璃纖維或碳纖維復合材料，可大大改善現(xiàn)有風機葉片復合材料的力學性能。203.3納米粒子增強基體樹脂用于碳纖維風機葉片棒材 據(jù)位于美國明尼蘇達州圣堡羅的3M公司報道，目前在復合材料市場復蘇中，展售其公司的3381基體樹脂。這是

16、一種新設計的納米粒子增強的環(huán)氧樹脂，具有高性能，可同預浸料在工藝過程中相容，適用于復合材料。據(jù)該公司說，這類樹脂持有獨特的化學性，與一種專門的納米粒子與添加劑相結(jié)合，形成3M公司的配方，避免韌性/彎曲度、剛度/硬度傳統(tǒng)的交替換位。該樹脂比標準環(huán)氧樹脂密度高（按照ASTM D792測定，該樹脂密度為1.48 g/cm3，標準樹脂密度為1.2 g/cm3）。該樹脂能減少線性收縮，收縮率為0.58%，而標準環(huán)氧樹脂的收縮率為1%。該樹脂還可提高抗斷裂韌性，幾率達50%，同時提高布氏硬度至67，而標準環(huán)氧樹脂的布氏硬度為59。此外，填料有助于降低熱膨脹系數(shù)該樹脂熱膨脹系數(shù)為44.6 m/(m )，而標

17、準環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)為59.5 m/(m )。這種3381環(huán)氧樹脂將安排商品化生產(chǎn)，主要為風機葉片碳纖維增強圓棒結(jié)構(gòu)材料使用。這種圓棒在長風機葉片上必須采用，還包括層壓板材。該樹脂在固化期間減少升溫，能提高效率。214納米材料與其他新能源隨著科技的發(fā)展，納米技術越來越多地應用在新能源電池中。由于使用納米材料的新能源電池表現(xiàn)出不同于普通電池的優(yōu)異性能，因此越來越多的研究人員開始關注納米技術在新能源電池領域的應用。StoreDot 公司使用納米技術開發(fā)出新型有機材料制成的電池可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)鋰電池更快的充放電速度。該公司稱他們的技術可以讓困擾傳統(tǒng)鋰電池的電阻問題得到極大改善。5在核能方面，麻省理工的

18、邁克爾蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復合材料納米化的設計模型。通過該模型，人們有望獲得納米復合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的全新的材料特性。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應堆做內(nèi)壁來延長核反應堆的使用壽命，并將使核燃料得到更高效的利用來提高反應堆的效率。25展望納米材料正在不斷發(fā)展中，性能也日益優(yōu)越。與此同時，新能源也在蓬勃地成長中，終有一天會取代傳統(tǒng)能源，成為未來生活的第一支柱。而有了納米材料的助力，新能源一定會更好、更快、更富有生機地發(fā)展。我們相信，納米科技終將在新能源領域大放光彩，同時也將會把新能源建設得更加富有創(chuàng)造性。參考文獻1.娜娜. 技術與市場 2009, (09), 95.2.丁軼. 山東

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