纳米技术在能源方面的应用

纳米技术在能源方面的应用纳米技术在能源方面的应用 研 究 报 告 班级 能动 1605 姓名 罗蕃莛 学号 100160507 叮叮小文库 1 目录目录 目录目录 1 摘要摘要 2 一 纳米技术概述一 纳米技术概述 3 二 纳米技术在能源方面的应用二 纳米技术在能源方面的应用 4 一 节能方面 4 二 储能方面 7 三 开发方面 9 三 总结与展望三 总结与展望 11 参考文献参考文献 12 叮叮小文库 2 摘要摘要 21 世纪我们面临着越来越严重的能源短缺问题 能源危机制衡 着我们的发展 并将长期的伴随和困扰着我们 因此 节约能源 开发并储存新能源成为一种趋势 而纳米技术的发展为这一目标的 实现提供了可能 为此 纳米技术被众多学者研究作为解决能源危机的途径 如 利用纳米材料可使在太阳能方面的利用率可以达到 40 然而普通 材料只有 20 纳米材料在内燃机中的应用 纳米材料能提高内燃 机中的燃油利用率 等等很多方面都有应用 本文着重介绍纳米技 术在能源方面的应用 关键词关键词 能源问题 纳米技术 纳米材料 应用 叮叮小文库 3 一 一 纳米技术概述纳米技术概述 纳米技术 nanotechnology 是研究结构尺寸在1纳米至100纳 米范围内材料的性质和应用的一种技术 1981年扫描隧道显微镜发 明后 诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界 它的最终目 标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品 因此 纳米技 术其实就是一种用单个原子 分子射程物质的技术 从迄今为止的 研究来看 关于纳米技术分为三种概念 第一种 是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在 创造的机器 一书中提出的分子纳米技术 根据这一概念 可以使组合分子的机 器实用化 从而可以任意组合所有种类的分子 可以制造出任何种 类的分子结构 这种概念的纳米技术还未取得重大进展 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限 也就是通过 纳米精度的 加工 来人工形成纳米大小的结构的技术 这种纳米级 的加工技术 也使半导体微型化即将达到极限 现有技术即使发展 下去 从理论上讲终将会达到限度 这是因为 如果把电路的线幅 逐渐变小 将使构成电路的绝缘膜变得极薄 这样将破坏绝缘效果 此外 还有发热和晃动等问题 为了解决这些问题 研究人员正在 研究新型的纳米技术 第三种概念是从生物的角度出发而提出的 本来 生物在细胞 和生物膜内就存在纳米级的结构 DNA 分子计算机 细胞生物计算 机的开发 成为纳米生物技术的重要内容 叮叮小文库 4 二 二 纳米技术在能源方面的应用纳米技术在能源方面的应用 一 一 节能方面节能方面 1 纳米燃油添加剂纳米燃油添加剂 燃油添加剂就是为了弥补燃油在某些性质上的缺陷并赋予燃油 一些新的优良特性 在燃油中要加入的功能性物质 其添加量以微 量为特征 从百万分之几到百分之几 用了使添加剂效果进一步提 升 通过纳米技术将其微量元素制成纳米单位的成分配制其中 以 提升产品功效 称之为纳米燃油添加剂 纳米燃油添加剂含有特殊的纳米成分和有机化合物 首先对发 动机起润滑作用 减少损伤 并能及时清理发动机中生成的积炭 胶质物及乳渣等 对发动机具有防腐 防锈 润滑 保洁等功能 长期使用最终能延长 5 10 年寿命 纳米燃油添加剂加入燃油后 能迅速吸附并包裹胶质物 在燃 烧室高温作用下 纳米混合体便发生气体性微爆 使燃油二次雾化 充分燃烧 节省效果明显 实测 100 公里省油 5 16 6 按此比率 用 50 升计算 油价每升 6 元 一个月省油 450 1440 元 一年可 节省约 5400 17280 元 纳米添加剂中的净化成分 对于已粘附在受热面等部位的油垢 胶质及燃烧室中的积炭有松化清洁作用 凭借纳米活化分子 使分 散剂中的小分子迅速扩散 直接攻击油分子中的长链碳键 从而引 发完全燃烧 使引擎的动力性提高 油耗降低 纳米燃油添加剂具有清洗 分散 破乳 促燃等作用 将燃油 中的积炭 乳渣清除后 通过 微爆 促燃 最后达到降低排放 消除尾气黑烟 叮叮小文库 5 2 纳米节能照明灯纳米节能照明灯 人工光源的发展至今 照明的进步只停留在光源与镇流器的革 新 而光学反射在照明节能领域的应用一直未能取得重大进展 纳 米反射技术及纳米光电科技在照明行业的应用 另辟蹊径 异军突 起 突破了光源节能仅仅节约能源 20 的极限 将节能进一步提升 至 60 以上 同时光源寿命提高达 30 以上 使照明节能取得了划 时代的进步 上升到了一个崭新的境界 并将引领照明节能的未来 当今纳米反射技术在照明领域的应用也是目前世界上最为节能 最 为高效 最为环保的技术 叮叮小文库 6 3 纳米热电材料纳米热电材料 热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料 1823 年 发现的塞贝克效应和 1834 年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和 热电制冷的应用提供了理论依据 随着空间探索兴趣的增加 医用 物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动 需 要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统 热电发电对这些 应用尤其合适 对于遥远的太空探测器来说 放射性同位素供热的热电发电器 是唯一的供电系统 已被成功的应用于美国宇航局发射的 旅行者 一号 和 伽利略火星探测器 等宇航器上 利用自然界温差和工 业废热均可用于热电发电 它能利用自然界存在的非污染能源 具 有良好的综合社会效益 利用帕尔帖效应制成的热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲 美的优点 尺寸小 质量轻 无任何机械转动部分 工作无噪声 无液态或气态介质 因此不存在污染环境的问题 可实现精确控温 响应速度快 器件使用寿命长 还可为超导材料的使用提供低温环 境 另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源 微区冷 却 光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统 大大拓展了热 电材料的应用领域 因此 热电材料是一种有着广泛应用前景的材料 在环境污染 和能源危机日益严重的今天 进行新型热电材料的研究具有很强的 现实意义 叮叮小文库 7 二 二 储能方面储能方面 1 碳纳米管在储氢材料方面的应用碳纳米管在储氢材料方面的应用 碳纳米管具备一定的储氢能力并能快速地释放氢 自发现以来 由于其独特的结构 优良的性能 对其所进行的研究具有重大的理论意 义和潜在的应用价值 CNTs 具有准一维管状结构 巨大的长径比和 比表面积 很高的力学强度 其强度为钢的 100 倍 同时 基于强 C C 化合键的作用 CNTs 具有优良的导电性能 能够填充和吸附颗粒 具有 高的稳定性 相比于其他储氢材料 纳米碳材料储氢具有安全 成本低 寿命 长 吸放氢条件温和等优点 随着碳纳米管储氢研究的开展 其有 望为能源和环境的可持续性发展提供解决途径 产生巨大的经济和社 会效益 2 纸电池纸电池 纸电池 是用纸张作为载体的电池 纸电池是由银和碳纳米材 料制成的特殊墨水 涂在纸张上制成 纸电池 为轻型 高效的新 型能源存储带来希望之光 美国加州斯坦福大学 2009 年成功研制了 纸电池 用硅纳米 线做成的电池是锂离子电池功效的 10 倍 瑞典科学家 2015 年 12 月研制出了一种能作为电池的 纸 其效率之高 所储存的电能可 以和市场上最好的超级电容电池相媲美 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 纸电容器寿命可能长达4万个充电和放电周期 与传统电池相同 这种新型电池的组成部分也包括电极 电解 液和隔离膜 具体而言 这种新型的纸电池是由植入了电极和电解 叮叮小文库 8 液的纤维素纸构成 其中纤维素纸就起到了隔离物的作用 电极分 别是加入纤维素中的碳纳米管和覆盖在纤维素制成的薄膜上的金属 锂 而电解液就是六氟磷酸锂溶液 美国伦斯勒理工学院的科学家 就是通过把电池的三部分综合到薄薄的一张纸上 而制成了这种新 型纸电池 研究显示 在 2 伏的电压下 这种新型纸电池每克能产生 10 毫安的电流 据介绍 这种新型的电池除了制作方法创新外 还具 有很多重要的特性 比如说柔韧性 这种新型的纸电池由于成分主 要是纤维素 因此保持了纸的一些特性 具有较好的柔韧性 根据 实验显示 这种电池对温度的适应能力相当强 在 70 至 150 的 温度区间都能正常使用 3 纳米电池纳米电池 纳米电池由正负电极 电解质 聚合物隔离膜组成 纳米电池 的负极材料是纳米化的天然石墨 纳米电池的正极是纳米化材料 采用由 PP 和 PE 复合的多层微孔膜作为隔离膜 并在电解质中加 入导电的纳米碳纤维 主要用于电动汽车 电动摩托车 电动助力车上 该种电池可 充电循环 1000 次 连续使用达 10 年左右一次充电只需 20 分钟左 右 平路行程达 400km 重量在 128kg 已经超越美日等国的电池 汽车水平 它们生产的镍氢电池充电约需 6 8 小时平路行程 300km 伊利诺伊大学厄巴纳 香槟分校材料科学和工程教授保尔 保恩 同硕士生于新迪 音译 博士后研究员张惠刚 音译 一起 将 一个薄膜包裹成三维纳米结构的电极 让其能获得较大的有效容积 和电流 演示结果表明 拥有这种电极的电池能在几秒钟内快速地 充电和放电 效率是块状电极电池的 100 倍 这意味着 当将其用 于电动汽车内时 其充电所需的时间可能和在加油站加油一样 更 重要的是 快速充放电对电池的能量密度 在一定空间或质量物质 中储存能量的大小 要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题 毫无影响 叮叮小文库 9 三 三 开发方面开发方面 1 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池 染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理 研制出来的一种 新型太阳电池 染料敏化太阳电池与传统的太阳电池相比有以下一些优势 1 寿命长 使用寿命可达15 20年 2 结构简单 易于制造 生产工艺 简单 易于大规模工业化生产 3 制备电池耗能较少 能源回收周期 短 4 生产成本较低 仅为硅太阳能电池的1 5 1 10 预计每峰瓦 的电池的成本在10元以内 5 生产过程中无毒无污染 经过短短十几年时间 染料敏化太阳电池研究在染料 电极 电解质等各方面取得了很大进展 同时在高效率 稳定性 耐久性 等方面还有很大的发展空间 但真正使之走向产业化 服务于人类 还需要全世界各国科研工作者的共同努力 这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途 如可用塑料 或金属薄板使之轻量化 薄膜化 可使用各种色彩鲜艳的染料使之多 彩化 另外 还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化 总之染 料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景 是具有相当 广泛应用前景的新型太阳电池 相信在不久的将来 染料敏化太阳 电池将会走进我们的生活 2 2 多孔硅在太阳能电池中的应用多孔硅在太阳能电池中的应用 多孔硅 porous Si 是一种新型的一维纳米光子晶体材料 具 有纳米硅原子簇为骨架的 量子海绵 状微结构 可以通过电化学 阳极腐蚀或化学腐蚀单晶硅而形成 多孔硅具有良好电致发光特性 在光或电的激发下可产生电子 和空穴 这些载流子可以复合发光 在电场的作用下进行定向移动 叮叮小文库 10 产生电信号 也可以储能 其在室温下 光致发光和电致发光特性 非常优异 减反效果显著 因此常被用来制作多晶硅太阳能电池中 的减反层 多孔硅在太阳能电池应用中的优点 1 多孔硅高的绒面表面形 貌可以用来增强光的捕获 2 多孔硅的带隙可以根据对阳光的最佳 吸收来调整 3 多孔硅可将紫外光和蓝光转变成波长更长的光 进 而提高量子效率 4 多孔硅易于大面积制备 叮叮小文库 11 三 总结与展望三 总结与展望 任何事物都具有两面性 纳米技术也不例外 纳米技术将给人 类带来许多过去难以实现的高端技术 但是由于纳米材料本身的特 性 纳米材料不仅存在着不同程度的生物效应 而且存在着循环利 用难的问题 废弃后的纳米材料将污染环境威胁人类健康 若不考 虑纳米材料的回收与循环利用 也势必违背现代循环经济原则 要 逐步解决纳米材料的难回收问题必须先从两方面着手 一方面 各 国政府必须对纳米材料的回收给予高度重视 应逐步规范纳米材料 的研发和应用 另一方面 纳米科学家是纳米技术开发的先锋 有 责任从源头上考虑纳米材料的回收问题 纳米材料以其独特的性能正在越来越多领域得到应用 随着科 学技术的进步 当前纳米材料制备和应用过程中存在的各种问题会 逐渐得到解决 总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来 给人们的生活带来翻天覆地的改变 叮叮小文库 12 参考文献参考文献 1 刘杨 热电材料的研究现状及展望 科技论坛 2013 3 15 80 2 陈立东 纳米复合热电材料研究进展 无机材料学报 2010 第 25 卷 第 6 期 561 569 3 罗婷 51 纳米技术在提高热电材料性能上的应用现状及发展趋 势 材料导报 2006 年 2 月第 20 卷第 2 期 50 53 4 袁丽秋 化学教育 2006 27 5 5 李树本 太阳能 1999 4 30 31 6 王艳辉 吴迪镛 迟建氢能及制氢的应用技术现及发展趋势 期刊 论文 化工进展 2001 01 7 何宇亮 南京大学物理系上海交通大学太阳能研究所 纳米硅薄 膜及有关纳米技术在太阳电池领域中的特殊作用 8 汪东 纳米技术及其应用 青岛海洋大学化学化工学院 2003 9 陈达 TiO2 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 10 徐德新 诸亦新 燃料电池的开发现状与应用前景 2003 11 可蔫 新型 纸电池 开心趣味百科 2010 年 2 期 12 Shin J Y Oh J H IEEE Transa on Magne 1993 13 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 17 杨英惠 纳米技术在移动能源方面的进展 现代材料动态 2002 18 纳米材料的难回收性及其负面影响黄晓锋哈尔滨工业大学出版社 2007 19 林文松 周细应等 纳米材料工程课程及其与先修课程关系的探讨 J 上海工程技术大学研究教育 2007 2 30 32 叮叮小文库 13 20 王进 梁柱 环境材料学简介 2009 no1 21 郑婵 无机基纳米碳管复合固态光限幅材料制备及性能研究 D 福州大学 2005 22 康诗钊 崔泽一 穆劲 碳纳米管的制备 修饰及其应用 J 光电子技术 2005 01 23 欧阳海东 碳纳米管复合材料制备及其场发射特性研究 D 电 子科技大学 2007 24 宋鑫 单壁碳纳米管的制备 提纯及拉曼光谱研究 D 首都师 范大学 2007 25 高利珍 李贺 梁奇 陈召勇 于作龙 碳纳米管的生产及其应 用 J 科技导报 2001 06 26 Pan Jinyan1 Zhu Changchun1 Liu Yongxiang1 Gao Yun long1 Study on driving circuit for complete silk screen printed carbon nano tube field emission display J Hsi An Chiao Tung Ta Hsueh Journal of Xi an Jiaotong University 2 007 41 1197 1201 27 沈辉 邓幼俊 刘勇 纳米材料在能源技术中的用与发展 期刊 论文 28 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 29 Slack G A Rowe D M ed CRC Handbook of Thermoelectrics B oca Raton CRC Press 1995 chap 34 40 30 Wu Y Fan R Yang P Block by block growth of single crystallineSi SiGe superlattice nanowires Nano Lett 2002 2 2 83 86 31 Poudel B Hao Q Ma Y et al High thermoelectric performance ofnanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys Sc ience 2008 320 5876 634 638 32 Tang X Xie W Li H et al Preparation and thermoelectr ic transport properties 叮叮小文库 14 of high performance p type Bi2Te3withl