CEMTRAL SOUTH UNIVERSITY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目录目录 1摘要 2一、纳米技术概述 3二、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 . 11参考文献 12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。关键词能源问题，纳米技术，纳米材料，应用一、 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。纳米技术在能源方面的应用一、节能方面1. 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 516.6%，按此比率，用 50 升计算，油价每升 6 元，一个月省油 4501440元，一年可节省约 540017280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。未粒初步雾化弟二次雷化;（微爆J碳粒宪全煤煥2. 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%勺极限，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。3. 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。二、储能方面1. 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，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 C至150 C的温度区间都能正常使用。3. 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。三、开发方面1. 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1/51/10，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. 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，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多孔硅在太阳能电池应用中的优点：1.多孔硅咼的绒面表面形貌 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。IlJO4iimi肋till4/74-V 工?F空二?图B反射率与孔隊率的关系三、总结与展望任何事物都具有两面性，纳米技术也不例外