1、纳米材料在能源中的应用学 院: 材料科学与工程学院专 业: 材料科学与工程姓 名: 谢 远 奉学 号: 110090304282013年10月重庆理工大学纳米材料在能源中的应用【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术，文章简要的概述了纳米技术在能源利用方面的应用范围，并展望了纳米技术在这方面的应用前景与发展方向。【关键词】纳米技术，纳米材料，能源利用，发展前景【引言】能源和环境是目前人类面临的两大全球问题，人类既要开发能源技术、扩大能源获取途径，同时还要避免引起环境污染。近年来纳米科技越来越热，研究成果也越来越重要。除了可预期的前景，我们的确看到了纳米技术在提高能源利用效率、开拓源泉、改
2、善环境方面具有很多实实在在的应用。1. 新能源的开发1.1 对人类而言，绝大部分能源都可以归结为太阳的赐予，本世纪可大量开发的最清洁能源当数太阳能。从太阳能的吸收来看，目前的太阳能电池的光电转化效率并不高，纳米技术的进步将会在提高太阳能吸收效率上起到很大作用，而且将改善不同波长范围内光线的吸收效率，从而使总的吸收效率达到最高，进而促进太阳能光热、光电方面的利用。而与太阳能同性质的电磁波目前广泛分布于地球表面。【1】开发太阳能的设备通过适当改造也是可以用于电磁波能源的利用。这一切都要归功于纳米材料良好的吸收辐射的特性。1.2 能源问题是一个迫在眉睫的国际性问题。随着石油价格的快速攀升以及传统化石
3、能源表现出的日益严重的高污染高能耗问题，世界各国对新型绿色能源的研究开发也越来越重视。纳米能源材料的研究是其中很重要的一环。炭基纳米材料由于其独特的化学与物理性质在能源材料研究中备受关注。其中如何有效调控材料的结构和性能是重要课题之一。我们利用原料与产物结构的关联性，采用前驱体控制的热反应，利用具有特定化学结构的富碳分子为前驱体通过在不同温度下的化学反应来可控性制备具有特定结构与功能的炭基纳米材料。利用这种方法不仅可以通过改变前驱体的化学结构来调控最终材料的结构，而且可以通过化学途径在材料中引人各种特殊的功能。【2】采用这种方法我们成功制备了多种新型的炭基纳米材料，并考察了这些材料在能源领域，
4、尤其是用于二次锂离子电池、燃料电池、太阳能电池等领域的性能，得到了很好的实验结果。1.3 近年来，人类目前所面临的这些能源危机和环境污染问题的日益突出，社会的发展要求开发出高效，无污染的清洁能源，支撑人类生存和发展的能源正从以石油，煤等为主的污染消费型能源转向清洁再生型能源。光电化学技术以其室温深度反应和可直接利用太阳能作为光源来驱动反应等独特性能，而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。其中，半导体纳米材料尤其是Ti02纳米材料由于具有独特的光电化学性能、优异的热稳定性、生物惰性、无毒无害及制作简便等，使得它无论是在太阳能光电转换方面，还是在废物的降解处理方面都有很好的实际应用前
5、景。【3】2.能源的储存2.1 氢气作为未来最方便使用的“绿色”能源，其储存目前存在许多问题，如投入高昂、使用危险等。最新研究表明碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。在早期的研究中人们发现：某些固体材料可以存储少量的氢(约占其自重的12)，其中有些金属氢化物储氢可达其自重的5一7，但需高温环境，使用不便。在研究碳纳米管时研究员发现：由于纳米材料的超活性表面能很好地吸附氢原子，它在常温下也能很好地储氢。【1】经美国能源部计算，碳纳米材料只要能存储其自重6的氢就可使氢一氧燃料电池动力车具有使用价值(假定两个加氢站间距为500km)。这样可避免使用化石燃料为能源的交通工具向大气中排放有害气体
6、。2.2 燃料电池是把燃料所具有的化学能连续而直接地转变成电能的装置，是一项高效利用能源而不污染环境的技术。随着世界石化燃料储藏量的不断减少，地球生态环境的日益恶化，燃料电池越来越被重视。实际上燃料电池的历史可追溯到1839年，威廉格罗夫用氢、氧作实验，证实用燃料电池发电是可能的。但由于发电机的发明，以后人们对燃料电池的研究甚少。直到20世纪60年代，美国用燃料电池为阿波罗等宇宙飞船提供电源。嗣后燃料电池研制盛行。现在燃料电池已成为最有可能替代内燃机的动力装置。燃料电池驱动汽车的商业化已指日可待。燃料电池用于汽车的最大难点在氢气的贮存。目前采用金属氢化物贮存氢气。虽然比气瓶贮氢安全，且同体积，
7、同重量贮存量大，但仍觉得不够理想。不过这个问题就要被解决了。科学家巳研制出单壁纳米碳管这种贮氢材料。根据理论推算其贮氢能力在10 以上。目前研制出的纳米碳管贮氢能力达到4 ，是金属氢化物贮氢能力的2倍。纳米碳管研制成功使燃料电池驱动汽车的研究向前跨了一大步。随着这一技术的不断完善。其贮氢能力将逐步接近理论值的10。将来把汽车上的汽油箱改成纳米碳管贮氢箱，则25l的容积贮存的氢可使汽车行驶12O0km。美国克莱斯勒公司于1999年3月展出了试制的燃料电池汽车，并表示要在瑚4年进人商业化生产。从目前燃料电池汽车研究技术的发展情况看，特别是贮氢材料纳米碳瞥的研制成功，20O4年实现商业化生产是完全有
8、可能的。因此在21世纪镍、铜、钴、钙、钨、钕、钐、铂等的消耗量将会有较大幅度地增长。有关部门应尽早做好准备。同时也会向冶金行业提出一些新要求。如研制出高活性纳米金属粉代替价格昂贵的铂催化剂研制出高活性多孔电极等。【4】燃料电池的应用给有色冶金行业也带了发展机遇。燃料电池发电站还可为炼钢、电解铝等冶金过程提供大电流直流电。冶金行业的自备电厂应考虑采用燃料电池发电。2.3 普通纸张未来或许可以用做轻型电池。科研人员将由银和碳纳米材料制成的特殊墨水，涂在纸张上，成功制成“纸电池”，为轻型、高效的新型能源存储带来希望之光。利用成熟的纸张技术，将可传导的纸用作集电器和电极，创造出了一种低成本、轻质且高效
9、的能源储备途径。有朝一日，纸电池可能用于手提电脑、手机或太阳能板。这种电池可用来给电动车或混合动力车等提供动力，有助减轻电子产品的重量，延长产品寿命，甚至以后还前，电池重量与寿命一直阻碍电动汽车与货车实现商业化发展。而用于纸电池的纳米材料是很特别的，是直径极小的一维结构，有助将纳米材料制成的墨水紧紧粘在纸张上，令电池和超级电容器非常耐用，纸电容器寿命可长达4万个充电和放电周期。这种纸电池与传统电池相比，在储存能源和充电周期寿命方面的表现一样良好。实验显示，将碳纳米管纸张放人传统充电池，可减少20重量。【5】2.4 现代牡会和经济的发展及人类对环境的高度关注，迫切需要大功率、高比能的储电能源材料
10、。制备和开发高效储电能源材料不仅具有重要科学意义，而且其有重大应用前景【6】纳米技术为有效提高电极材料的性能提供了重要的方法。主要以多种超电容材料和锂电池电极材料开展纳米制备，性能表征与应用研究。锂离子电池正极材料选取LiMn204为对象充分利用其无污染、安全性好、电压高等特点。【7】以成本低和锰源丰富的Mn02为前驱体利用高能球磨方法的机械分散和活化作用，进行低温水热合成，以期获得粒度大小在纳米尺度、分布均匀的LiMn204。利用炭气凝胶可控的孔网络结构和钒氧化合物的高比能量，进行材料复合来改善大电流充放电和循环性能。提高尖晶石犁锂锰氧化物比能量，比电容和高倍充放电能力，以期改善电极材料的高
11、倍率放电性能、循环性能和比能量3.能源的节省3.1 纳米技术在纳米尺度由小到大制造物品，这样所需资源少，在制造过程中能源消耗也少，对环境污染小，成本也低。由于纳米技术使产品微型化，可使产品在使用过程节省大量能源。可以预见，纳米技术制造“低能耗，高性能”的机械将会取代现有的“傻大黑粗”的能源消耗严重且效率低下的传统机械，从而把能耗和污染降到最低限度。【1】3.2 日本电气(NEc)和JSTIRI共同开发了用于移动终端的小型燃料电池，采用了纳米技术。燃料电池的能量来自氢和氧的化学反应，并可直接转化为电能。与同样体积的锂离子电池相比， 燃料电池产生的电能约大10倍。公司相信，到2005年他们将生产出
12、可供笔记本电脑连续使用数天或可供移动电话连续使用一个月的电池。目前多数移动装置在使用锂电池NEc 则研制一种小型、大容量燃料电池，这种电池将供下一代移动装置使用。NEC 为燃料电池采用的电极是由纳米技术制造的原料制成的，这是碳纳米管的一种， 被称为纳米触角。配备纳米触角电极的燃料电池产生的电能比由活性碳电极组成的燃料电池产生的电能大约多出20 。碳纳米触角拥有更加精细的结构这使它将电极上的铂微粒分散均匀。这些用作触媒的微粒可使氢的分解更为充分。为了开发移动终端用的小型燃料电池，必须解决一系列技术问题，这包括改善电极性能、提高固态聚合物膜片性能和选择适当的燃料。NEC已解决了第一个难题。NEC开
13、发的燃料电池采用甲醇作燃料， 当电池耗尽时则需充入甲醇。【8】参考文献：【1】汪东，纳米技术及其应用， 青岛海洋大学化学化工学院，2003。【2】智林杰，结构可控的炭基纳米材料及其在能源领域的应用，国家纳米科学中心, 100190。【3】陈达，TiO纳米材料及其复合体系在光电化学领域中的应用研究，中国科学技术大学，2008。【4】徐德新，诸亦新，燃料电池的开发现状与应用前景，2003。【5】可蔫，新型“纸电池”， 开心趣味百科，2010年2期。【6】Shin J Y.Oh J H.IEEE Transa on Magne,1993。【7】李学良，储电能源纳米材料的制备及性能研究，合肥工业大学，2007。【8】杨英惠，纳米技术在移动能源方面的进展，现代材料动态，2002。
