纳米科技与能源
就像毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，是一米的十亿分之一，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1——100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术，纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。
而能源则更加重要，“能源”这一术语，过去人们谈论得很少，正是两次石油危机使它成了人们议论的热点。能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全能源全为核心的能源政策。在此后的二十多年里，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。 纳米技术能够产生具有独特性质的物质，可推动可再生能源的发展和利用。预计在最近几年内，人类将在能源，尤其是可再生能源方面，取得重大突破。人们将会利用更安全的核电站，更高效的太阳能电池；风能、太阳能、海洋能在我们的生活中将得到更广泛的应用。但是，这些目标的实现都离不开科学，尤其是新材料方面的重大突破。科学家们关于新材料的设想越来越明晰了。他们以纳米为单位来设计新材料（1纳米等于十亿分之一米）。在这样小的尺寸上，新材料可以拥有自己特性，这些属性可以提供理想的功能，特别是把新材料制成复合材 料时，它们的功能就更加强大了。最近一系列研究表明纳米技术在能源领域拥有广阔潜力。 纳米材料在太阳能电池中的应用
太阳能电池具有方便、无污染和不需燃料等优点，考虑到环境保护、能源的可持续发展和应用等因素，太阳能电池将成为未来社会能源结构中的主要成员。据悉，太阳能行业媒体于2008年6月中旬发布预测，在假定太阳能电池生产年增长率为20%的前提下，认为太阳能电池成本可望到2020年降低至低于1美元/瓦，到2030年降低至低于0.5 美元/瓦。纳米晶太阳电池因其制作工艺简单，原材料便宜，生产成本低（仅为硅基成本的五分之一到十分之一）；适合在非直射光、多云等弱光线条件下，以及光线条件不足的室内条件下运用；可以使用柔性基底等优点受到了科学家和工业界的青睐。与植物进行光合作用的场所叶绿体结构相比，纳米晶太阳电池具有相似的结构。它的纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑敏化剂染料分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；敏化功能材料相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。和光合作用一样，基于半导体纳米材料电极的太阳电池构成了由太阳光驱动的分子电子泵。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电技术的地面应用研究已经经历了近30年之久，制约其发展的主要因素是系统的价格太高，目前最为广泛应用的是硅系列太阳能电池，为了降低成本，兼顾光电转换效率，各国学者都在致力于各种太阳能电池的探索研究，其中，纳米材料在太阳能电池中的应用即纳米晶体化学太阳能电池已经成为人们关注的热点。北京大学2002年5月22日公开的CN1350334纳米晶膜太阳能电池 电极及其制备方法，涉及一种纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法，以宽禁带半导体纳米晶膜为基底，在该基底表面吸附一层金属离子，再在金属离子吸附层上吸附光敏化剂。通过金属离子的表面修饰，改善电极的光电转换性能，提高太阳能电池的光电转换效率。与单纯TiO2相比，基于金属离子修饰TiO2纳米晶太阳能电池的光电转化效率提高于5～ 14％，可作为电极广泛应用于太阳能领域。纳米TiO2太阳能电池有着可以与传统固态光伏电池相媲美的高光电转换率，加之价格低廉，使这种电池具有广阔的前景和潜在的商业价值。虽然此类太阳能电池还存在一些问题，仍需进一步深入研究。但是，纳米太阳能电池以其高效低价无污染的巨大优势挑战未来，随着研究推进，这太阳能电池应用前景广阔无限。
氢能源与新兴纳米储氢材料
氢能源是一种清洁的可再生能源。由于氢能源与新兴纳米储氢材料氢能源与新兴纳米储氢材料：传统的储氢材料和储氢技术达不到氢燃料电池电动车实用要求，储氢问题已成为氢能源应用中最急需解决的关键问题。对于好的储氢材料，储氢的可逆性和稳定性是至关重要的。若吸附氢后SWCNs的稳定性过低，其结构将遭到破坏。若稳定性过高，将不利于可逆地释放氢。Lu 和Scudder 等将一端半敞开的SWCNs 称为单壁扶手椅，将氢化时能沿管的一侧开裂的形象地称为拉链碳纳米管。他们用从头计算法计算了氢原子在这些纳米管上的化学吸附。计算结果表明，在管的外部氢吸附的结合能远大于管的内部，并且预言，对于小的扶手椅纳米管，在一侧选择性的位点上只要两排吸附的氢原子就能通过C-H 键的形成而打破纳米管上的最近的C-C 键，导致拉开纳米管壁的拉链。对于大的扶手椅和拉链纳米管在对抗拉链的开裂中是相对稳定的。在管的内部吸附的氢原子不破坏纳米管的C-C 键。这种氢引起的纳米管的破裂或者“拉开拉链”不但被理论上预言，而且实验上也已观察到。理论和实验上的研究都表明了，与具有更小直径的SWCNs 相比较时，直径越大的纳米管具有越小的曲率限制而整个具有更低的反应活性，因此对于由氢化引起的蚀刻（破裂）具有更大的抵抗力。Nikitin 和Li 等的研究显示，在样品1中一旦碳纳米管达到30%的氢化度，另外的氢处理就引起SWCNs膜的蚀刻。T2样品的情形是相当不同的，他们的结果表明，在样品中的SWCNs用适度的H 处理时不分解。此外，已经证明具有半导性质的SWCN在用氢等离Nikitin和Li等[2]的结果表明,T1子体处理下比具有金属性质的更稳定。和T2 SWCN样品在氢处理下具有不同的行为:对于T1样品~30%的氢化 就能使纳米管具有随后材料蚀刻的不稳定性，而对于T2样品几乎100%的氢化的纳米管也是稳定的。他们注意到纳米管的直径分布对于T1样品，其平均直径在1.6 nm左右，而对于T2样品是在2.0 nm左右。这种平均直径的差别可能是观察到的T1和T2样品蚀刻情形的差异的理由之一。他们实验中的直径为2.0 nm 左右的SWCNs 不但具有最高的质量比和储氢容量，并且吸氢是可逆的，吸氢后在室温下是稳定性的。可以说，这些SWCNs已经具备了储氢材料应该有的优越性能。物理和化学方法储氢，需昂贵的设备。而碳纳米材料可以提供一种 有效而清洁的储氢方式。这种材料如果用于燃料电池汽车中的储氢材料，可以有效避免空气污染或排放温室气体。人们很早就知道，某些固体材料（如金属氢化物等）在室温条件下可以储存少量的氢（约为自重的1%-2%）。有些金属氢化物可储存更多的氢（为其自重的5%-7%）但所需的储氢温度极高，250℃甚至更高。然而，碳纳米管和纳米纤维即使在室温下也能很好的吸收氢，每个颗粒 都是一个微小的吸氢“海绵” 。这种材料就有广阔的应用前景，可用来制造燃料电池汽车中的氢容器。添加燃料时只需将汽车驶入加油站，将空的氢容器注满氢即可。美国再生能源实验室的赫宾是该领域的带头人，他认为主要与碳纳米材料的表面结构有关。麻省理工学院的德雷斯尔豪 斯及其同事所从事的研究支持这一观点，并将其成果发表在近期的《科学》上。美国能源部的计算结果表明，碳材料只要储存其自重6.5%的氢，就可使燃料电池汽车具有实用价值（设定两个加油站间的距离是500公里，即310英里）。我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢、吸波和场发射特性，力争使碳纳米管材料和器件实用化。
纳米材料将广泛应用到新能源领域
透过玻璃——纳米复合透明材料太阳能电池也可应用到建筑物，如在窗户上。德国弗劳恩霍夫研究所机械材料研究员正在寻找合适的透明材料。这些材料也将利用计算机模型来探索原子结构并来模拟电子运行模式。来自德国研究所的沃尔夫 冈·柯纳说，传导材料和透明材料的良好结合可能会产生完全透视电子。复合材料的纳米结构也能使较轻的材料拥有很大的机械强度。复合材料，例如以光纤玻璃和碳纤维合成的塑料树脂，已经广泛应用在生产制造业，用来生产汽车和飞机等。但是，通过控制纤维生产过程中的方向，可以产生变形复合材料，这种材料在一定条件下能够改变自身形状。这种变化可以来自外部控制，也可以是自发产生的，例如，对温度、压力、和速度引发的变化。在英国的布里斯托尔大学先进复合材料创新和研究中心进行的研讨会透露，这种变形复合材料可以用于生产能效更高的风电和潮汐发电的涡轮叶片。一种双稳态复合材料能够快速改变其空气动力状况，这也将有助于消除刀片上不需要的压力。这将提高其效率，延长叶片的使用寿命，并且改善发电系统。变形复合材料意味着潮汐发电机可以制得更小，在商业上更具竞争力。依这种方式，材料科学上的些许变化将为可再生能源创造远大前程。
纳米材料用于清洁能源
人类在享受汽车带来的便利的同时,也不得不忍受汽车尾气造成的空气污染,而全球变暖和油价高起更让寻找替代能源成了迫切的要求。太阳能汽车、氢燃料电池汽车、油电混合动力汽车应运而生。尽管它们正在获得越来越多的认可,却依然不尽如人意。根据比奇的计算,使用特制的发动机和同等体积的金属燃料,一辆轿车的行驶距离是普通汽油动力汽车的3倍。 而且由于燃烧的是金属燃料, 它几乎没有污染,也就是说没有二氧化碳、氮氧化物,也没有灰尘和煤烟。这种金属燃料甚至还可以被循环使用。只要将用过的纳米颗粒放到氢气环境下进行加热,它们就会再次成为可用的燃料。沉甸甸、冷冰冰的铁块中居然蕴藏着能量,而且还能被点燃?不过,既然汽车可以用各种各样的燃料比如甲烷、煤粉以及火药作为动力来源, 那么它为何就不能以金属作为燃料呢。事实上,正常状态下的铁是不能被 用做燃料的,但是当铁块被加工成纳米级的微粒时,它就具有了很高的反应活性,将其点燃会释放出大量能量。金属燃料优点多多：虽然这样设计出的发动机与常规汽车发动机很像,但它不会产生二氧化碳、氮氧化物或有害微粒。这些复合物通常在高温燃烧中产生,而比奇等人通过控制簇的大小,已经可以将金属的燃烧温度降到525度。他们接下来的工作是寻找燃烧的速度、温度和效率三者间的平衡。尽管相对于氢燃料而言,金属是一种紧凑的燃料,但它却有一个明显的缺点——重量。一个行驶距离等效5升油箱的铁燃料箱重约100公斤,比普通油箱重两倍多。并且由于金属燃料燃烧后废物不会被排放到空气中,在整个行驶过程中车重都不会减轻,这也增加了运输的成本。不过金属燃料的优势还是很明显的。除了环保外,金属燃料还具有携带方便、储存安全、体积小的优点。在减轻重量方面,也有可提升的空间。如果使用铝纳米颗粒来替代铁的话,同样重量的燃料可以得到 4倍的能量,如果使用硼的话,可以得到6倍的能量。虽然这两种材料都比铁贵——铝的价格是铁的15倍,但从另一个角度来考虑,由于金属燃料不会被消耗,可以循环使用的,真正的使用成本在于将金属氧化物还原为燃料的过程,而这一过程中各种金属燃料的转化成本差异不大,所以金属燃料本身的价格并不会影响使用成本。
总之，纳米能源材料研究正在起步。在纳米材料领域，纳米能源材料是最活跃和最具有发展前途的研究领域之一。核研院利用多年在纳米材料研究领域积累的经验和条件，瞄准国际前沿，正在积极筹建纳米能源与环境材料研究平台，计划以敏化纳米晶体TiO2太阳能电池、燃料电池纳米电极材料和高效储氢材料等作为突破口，在能源材料学科建设上走出特色之路，当纳米材料和能源结合起来会产生无限的生机，我认为将来纳米材料在能源方面会有更大的应用。
电力工程学院
热能与动力工程11-3班 韩韬 学号：17115957
