1、納米技術(shù)在能源方面的應(yīng)用研究報(bào)告 班級(jí)：能動(dòng)1605 姓名：羅蕃莛學(xué)號(hào)：100160507目錄目錄1摘要2一、納米技術(shù)概述3二、納米技術(shù)在能源方面的應(yīng)用4一、節(jié)能方面4二、儲(chǔ)能方面7三、開發(fā)方面9三、總結(jié)與展望11參考文獻(xiàn)12摘要21世紀(jì)我們面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的能源短缺問(wèn)題，能源危機(jī)制衡著我們的發(fā)展，并將長(zhǎng)期的伴隨和困擾著我們。因此，節(jié)約能源、開發(fā)并儲(chǔ)存新能源成為一種趨勢(shì)，而納米技術(shù)的發(fā)展為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。為此，納米技術(shù)被眾多學(xué)者研究作為解決能源危機(jī)的途徑，如利用納米材料可使在太陽(yáng)能方面的利用率可以達(dá)到40%，然而普通材料只有20%；納米材料在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用，納米材料能提高內(nèi)燃機(jī)中的燃

2、油利用率，等等很多方面都有應(yīng)用，本文著重介紹納米技術(shù)在能源方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞能源問(wèn)題，納米技術(shù)，納米材料，應(yīng)用一、 納米技術(shù)概述 納米技術(shù)(nanotechnology)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1納米至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以1到100納米長(zhǎng)度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來(lái)構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。從迄今為止的研究來(lái)看，關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念： 第一種，是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在創(chuàng)造的機(jī)器一書中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機(jī)器實(shí)

3、用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)還未取得重大進(jìn)展。 第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過(guò)納米精度的"加工"來(lái)人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù)，也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即使發(fā)展下去，從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度，這是因?yàn)?，如果把電路的線幅逐漸變小，將使構(gòu)成電路的絕緣膜變得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。 第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來(lái)，生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。DNA分子計(jì)算機(jī)、細(xì)

4、胞生物計(jì)算機(jī)的開發(fā)，成為納米生物技術(shù)的重要內(nèi)容。二、 納米技術(shù)在能源方面的應(yīng)用一、 節(jié)能方面1. 納米燃油添加劑 燃油添加劑就是為了彌補(bǔ)燃油在某些性質(zhì)上的缺陷并賦予燃油一些新的優(yōu)良特性，在燃油中要加入的功能性物質(zhì)。其添加量以微量為特征，從百萬(wàn)分之幾到百分之幾。用了使添加劑效果進(jìn)一步提升，通過(guò)納米技術(shù)將其微量元素制成納米單位的成分配制其中，以提升產(chǎn)品功效。稱之為納米燃油添加劑。納米燃油添加劑含有特殊的納米成分和有機(jī)化合物，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起潤(rùn)滑作用，減少損傷。并能及時(shí)清理發(fā)動(dòng)機(jī)中生成的積炭、膠質(zhì)物及乳渣等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)具有防腐、防銹、潤(rùn)滑、保潔等功能，長(zhǎng)期使用最終能延長(zhǎng)5-10年壽命。納米燃油添加劑加入

5、燃油后，能迅速吸附并包裹膠質(zhì)物，在燃燒室高溫作用下，納米混合體便發(fā)生氣體性微爆，使燃油二次霧化，充分燃燒。節(jié)省效果明顯，實(shí)測(cè)100公里省油516.6%，按此比率，用50升計(jì)算，油價(jià)每升6元，一個(gè)月省油4501440元，一年可節(jié)省約540017280元。納米添加劑中的凈化成分，對(duì)于已粘附在受熱面等部位的油垢、膠質(zhì)及燃燒室中的積炭有松化清潔作用。憑借納米活化分子，使分散劑中的小分子迅速擴(kuò)散，直接攻擊油分子中的長(zhǎng)鏈碳鍵，從而引發(fā)完全燃燒，使引擎的動(dòng)力性提高，油耗降低。納米燃油添加劑具有清洗、分散、破乳、促燃等作用，將燃油中的積炭、乳渣清除后，通過(guò)“微爆”，促燃，最后達(dá)到降低排放，消除尾氣黑煙。2.

6、納米節(jié)能照明燈人工光源的發(fā)展至今，照明的進(jìn)步只停留在光源與鎮(zhèn)流器的革新，而光學(xué)反射在照明節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用一直未能取得重大進(jìn)展。納米反射技術(shù)及納米光電科技在照明行業(yè)的應(yīng)用，另辟蹊徑、異軍突起，突破了光源節(jié)能僅僅節(jié)約能源20%的極限，將節(jié)能進(jìn)一步提升至60%以上，同時(shí)光源壽命提高達(dá)30%以上，使照明節(jié)能取得了劃時(shí)代的進(jìn)步，上升到了一個(gè)嶄新的境界，并將引領(lǐng)照明節(jié)能的未來(lái)。當(dāng)今納米反射技術(shù)在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也是目前世界上最為節(jié)能、最為高效、最為環(huán)保的技術(shù)。3.納米熱電材料 熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1834年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用

7、提供了理論依據(jù)。隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動(dòng)，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無(wú)需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對(duì)這些應(yīng)用尤其合適。 對(duì)于遙遠(yuǎn)的太空探測(cè)器來(lái)說(shuō)，放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器是唯一的供電系統(tǒng)。已被成功的應(yīng)用于美國(guó)宇航局發(fā)射的“旅行者一號(hào)”和“伽利略火星探測(cè)器”等宇航器上。利用自然界溫差和工業(yè)廢熱均可用于熱電發(fā)電，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的綜合社會(huì)效益。 利用帕爾帖效應(yīng)制成的熱電制冷機(jī)具有機(jī)械壓縮制冷機(jī)難以媲美的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、質(zhì)量輕、無(wú)任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作無(wú)噪聲，無(wú)液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)，因此不存在污染環(huán)境的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)精確控溫，

8、響應(yīng)速度快，器件使用壽命長(zhǎng)。還可為超導(dǎo)材料的使用提供低溫環(huán)境。另外利用熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區(qū)冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)，大大拓展了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。二、 儲(chǔ)能方面1. 碳納米管在儲(chǔ)氫材料方面的應(yīng)用碳納米管具備一定的儲(chǔ)氫能力并能快速地釋放氫。 自發(fā)現(xiàn)以來(lái),由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),優(yōu)良的性能,對(duì)其所進(jìn)行的研究具有重大的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。CNTs具有準(zhǔn)一維管狀結(jié)構(gòu),巨大的長(zhǎng)徑比和比表面積,很高的力學(xué)強(qiáng)度,其強(qiáng)度為鋼的100倍

9、。同時(shí),基于強(qiáng)C-C化合鍵的作用,CNTs具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,能夠填充和吸附顆粒,具有高的穩(wěn)定性。相比于其他儲(chǔ)氫材料,納米碳材料儲(chǔ)氫具有安全、成本低、壽命長(zhǎng)、吸放氫條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。隨著碳納米管儲(chǔ)氫研究的開展，其有望為能源和環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展提供解決途徑,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2. “紙電池” 紙電池，是用紙張作為載體的電池。紙電池是由銀和碳納米材料制成的特殊墨水，涂在紙張上制成“紙電池”，為輕型、高效的新型能源存儲(chǔ)帶來(lái)希望之光。美國(guó)加州斯坦福大學(xué)2009年成功研制了“紙電池”，用硅納米線做成的電池是鋰離子電池功效的10倍。瑞典科學(xué)家2015年12月研制出了一種能作為電池的“紙”，其效率之高

10、，所儲(chǔ)存的電能可以和市場(chǎng)上最好的超級(jí)電容電池相媲美。 用于紙電池的納米材料是很特別的，是直徑極小的一維結(jié)構(gòu)，有助納米材料制成的墨水緊緊粘在紙張上，令電池和超級(jí)電容器非常耐用，紙電容器壽命可能長(zhǎng)達(dá)4萬(wàn)個(gè)充電和放電周期。 與傳統(tǒng)電池相同，這種新型電池的組成部分也包括電極、電解液和隔離膜。具體而言，這種新型的紙電池是由植入了電極和電解液的纖維素紙構(gòu)成，其中纖維素紙就起到了隔離物的作用。電極分別是加入纖維素中的碳納米管和覆蓋在纖維素制成的薄膜上的金屬鋰；而電解液就是六氟磷酸鋰溶液。美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的科學(xué)家就是通過(guò)把電池的三部分綜合到薄薄的一張紙上，而制成了這種新型紙電池。研究顯示，在2伏的電壓下，這

11、種新型紙電池每克能產(chǎn)生10毫安的電流。據(jù)介紹，這種新型的電池除了制作方法創(chuàng)新外，還具有很多重要的特性，比如說(shuō)柔韌性。這種新型的紙電池由于成分主要是纖維素，因此保持了紙的一些特性，具有較好的柔韌性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，這種電池對(duì)溫度的適應(yīng)能力相當(dāng)強(qiáng)，在-70至150的溫度區(qū)間都能正常使用。3.納米電池納米電池由正負(fù)電極、電解質(zhì)、聚合物隔離膜組成，納米電池的負(fù)極材料是納米化的天然石墨，納米電池的正極是納米化材料，采用由PP和PE復(fù)合的多層微孔膜作為隔離膜，并在電解質(zhì)中加入導(dǎo)電的納米碳纖維。主要用于電動(dòng)汽車，電動(dòng)摩托車，電動(dòng)助力車上。該種電池可充電循環(huán)1000次，連續(xù)使用達(dá)10年左右一次充電只需20分鐘左

12、右，平路行程達(dá)400km，重量在128kg，已經(jīng)超越美日等國(guó)的電池汽車水平。它們生產(chǎn)的鎳氫電池充電約需6-8小時(shí)平路行程300km。伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校材料科學(xué)和工程教授保爾-保恩同碩士生于新迪（音譯）、博士后研究員張惠剛（音譯）一起，將一個(gè)薄膜包裹成三維納米結(jié)構(gòu)的電極，讓其能獲得較大的有效容積和電流。演示結(jié)果表明，擁有這種電極的電池能在幾秒鐘內(nèi)快速地充電和放電，效率是塊狀電極電池的100倍。這意味著，當(dāng)將其用于電動(dòng)汽車內(nèi)時(shí)，其充電所需的時(shí)間可能和在加油站加油一樣；更重要的是，快速充放電對(duì)電池的能量密度（在一定空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，要解決的是電動(dòng)車充一次電能跑多遠(yuǎn)的問(wèn)題）毫無(wú)影

13、響。三、 開發(fā)方面1. 染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)電池主要是模仿光合作用原理，研制出來(lái)的一種新型太陽(yáng)電池。染料敏化太陽(yáng)電池與傳統(tǒng)的太陽(yáng)電池相比有以下一些優(yōu)勢(shì)：1.壽命長(zhǎng)：使用壽命可達(dá)15-20年;2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);3.制備電池耗能較少，能源回收周期短;4.生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽(yáng)能電池的1/51/10，預(yù)計(jì)每峰瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。5.生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)毒無(wú)污染。 經(jīng)過(guò)短短十幾年時(shí)間，染料敏化太陽(yáng)電池研究在染料、電極、電解質(zhì)等各方面取得了很大進(jìn)展。同時(shí)在高效率、穩(wěn)定性、耐久性、等方面還有很大的發(fā)展空間。但真正使之走向產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)于人類，還需要全世界

14、各國(guó)科研工作者的共同努力。這一新型太陽(yáng)電池有著比硅電池更為廣泛的用途：如可用塑料或金屬薄板使之輕量化，薄膜化;可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化;另外，還可設(shè)計(jì)成各種形狀的太陽(yáng)能電池使之多樣化?？傊玖厦艋{米晶太陽(yáng)能電池有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，是具有相當(dāng)廣泛應(yīng)用前景的新型太陽(yáng)電池。相信在不久的將來(lái)，染料敏化太陽(yáng)電池將會(huì)走進(jìn)我們的生活。2. 多孔硅在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用多孔硅（porous Si）是一種新型的一維納米光子晶體材料，具有納米硅原子簇為骨架的“量子海綿”狀微結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕或化學(xué)腐蝕單晶硅而形成。多孔硅具有良好電致發(fā)光特性，在光或電的激發(fā)下可產(chǎn)生電子和空穴，這些載流子可

15、以復(fù)合發(fā)光，在電場(chǎng)的作用下進(jìn)行定向移動(dòng)，產(chǎn)生電信號(hào)，也可以儲(chǔ)能。其在室溫下，光致發(fā)光和電致發(fā)光特性非常優(yōu)異，減反效果顯著，因此常被用來(lái)制作多晶硅太陽(yáng)能電池中的減反層。多孔硅在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)：1.多孔硅高的絨面表面形貌可以用來(lái)增強(qiáng)光的捕獲；2.多孔硅的帶隙可以根據(jù)對(duì)陽(yáng)光的最佳吸收來(lái)調(diào)整；3.多孔硅可將紫外光和藍(lán)光轉(zhuǎn)變成波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光，進(jìn)而提高量子效率；4.多孔硅易于大面積制備。三、總結(jié)與展望 任何事物都具有兩面性，納米技術(shù)也不例外。納米技術(shù)將給人類帶來(lái)許多過(guò)去難以實(shí)現(xiàn)的高端技術(shù)，但是由于納米材料本身的特性，納米材料不僅存在著不同程度的生物效應(yīng)，而且存在著循環(huán)利用難的問(wèn)題。廢棄后的納米材料將

16、污染環(huán)境威脅人類健康，若不考慮納米材料的回收與循環(huán)利用，也勢(shì)必違背現(xiàn)代循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則，要逐步解決納米材料的難回收問(wèn)題必須先從兩方面著手：一方面，各國(guó)政府必須對(duì)納米材料的回收給予高度重視，應(yīng)逐步規(guī)范納米材料的研發(fā)和應(yīng)用，另一方面，納米科學(xué)家是納米技術(shù)開發(fā)的先鋒，有責(zé)任從源頭上考慮納米材料的回收問(wèn)題。 納米材料以其獨(dú)特的性能正在越來(lái)越多領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前納米材料制備和應(yīng)用過(guò)程中存在的各種問(wèn)題會(huì)逐漸得到解決，總有一天納米技術(shù)會(huì)真正走到人們的現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)來(lái)，給人們的生活帶來(lái)翻天覆地的改變。參考文獻(xiàn)1.劉楊.熱電材料的研究現(xiàn)狀及展望.科技論壇.2013.3.15-80; 2.陳

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