借助纳米技术解决世界能源问题

2000年，世界能源消费量约为14115万亿瓦时，其中85%来自化石燃料或核能。初级能源的一个最重要的消费者是电力部门。到2020年，能源消费总量预计将增长20%，如无有效的措施，二氧化碳排放量将增加14%。根据《京都议定书》，欧盟承诺2008年至2012年期间的二氧化碳排放量要比90年低8%，为此，可再生能源所占份额要从6%升至12%，并提高能效。为了实现这些目标，解决方案不仅仅包括技术手段，还包括改变能源输送和利用的潜在方法。因此，促进能源部门的研究与技术开发是关键的一步。

为了开发更清洁、廉价和有效的工艺，需要跨学科的努力，其中包括各个不同的技术领域，如能源、化学工程、生物技术、传感器、信息技术、材料科学、材料工程等等。在这些领域中，纳米技术和纳米材料被认为很有潜力，对能源系统将产生重大影响。

纳米技术涉及对单个原子、分子或分子簇的处理或自行组装形成结构，创造出具有低尺寸结构产生的新特征或不同特性的材料和装置。与能源部门关系最为密切的是有上述尺寸的粒子。这可能是球形粒子、圆筒状纳米管或有纳米级微孔的材料。纳米技术最有趣的是，纳米大小的粒子具有完全不同于宏观世界的相同材料的特性。

纳米技术的相关作用

与大块材料相比，纳米粒子与能源应用最相关的作用是大量暴露在表面的原子。由于巨大的表面面积可以用较少的材料产生较高的反应率，这对生产较好的催化剂（导致较高的反应率、较低的加工温度、减少排放或者需要很少的原料），改进燃烧工艺（较高的效率、较低的加工温度）或提高光吸收率是有用的。这一表面效应也适用于能量储存应用（例如：氢储存或锂电池电极）或能量转换（燃料电池电极）。我们可以利用吸收性纳米粒子的尺寸来调节光谱吸收。利用这一效应可提高太阳能电池的光吸收，从而提高效率。与常规尺寸的相同材料相比，这种材料的机械特性在纳米区域能够发生极大的变化。例如：纳米管强度比相同尺寸的钢高很多。在复合材料中，这可以产生较轻的材料，用于汽车或飞机，同时降低能耗。

能量转换的潜在应用

有纳米层或纳米棒的太阳能电池可以大幅增加太阳光的发电量。纳米结构材料或纳米组件可用于未来或新出现的能源生产技术，其中包括太阳光伏电池和氢能转换。纳米技术将有助于推进燃料电池的开发，带来更有效和更划算的电极和电解材料。气凝胶是一种有纳米级微孔的透明隔热材料，被开发用作太阳能收集器的覆盖材料。纳米结构材料在热电装置中显示出其未来的应用潜力。此外，纳米生物技术研究增加了知识，使生物动能子系统得到成功的建造。

能量储存的潜在应用

纳米晶体金属混合物可以为储存氢提供重要的有利条件，而且，对碳纳米管的储氢能力开展了积极的研究，也引发了很大的争论。然而，其他独立组织没有实例可以证明或者确定碳纳米管的高储存容量。因此，其商业化似乎是不可能的。业已证明，纳米晶体材料和纳米管可以使锂电池的功率密度、寿命以及充放电速度大大提高。

在超级电容器中使用纳米粒子有三种结果：用很少的材料就可以达到特定的电容量；利用很薄的材料层就可以实现较高的电容量，因为较小的粒子同较大的活性表面积相关；较薄的层意味着微型化在较大程度上是可行的。因此，纳米技术将为电容器（包括：手机、电脑笔记本和半导体）打开新的潜在市场。

节能的潜在应用

利用燃料添加剂可以提高燃料的燃效，从而减少排放和改良燃烧。基于金属氧化物的纳米粒子材料可在发动机无明显磨损的情况下，在原位提升燃烧反应，这是由于粒子大小的关系。如今已经实施的一项提高燃效的解决方案是，利用纳米多孔催化剂或纳米粒子来提高转换率。用相似的方法，纳米催化剂可以提高反应率，降低处理温度，减少排放或工业废物，从而提高化学反应的生产率。

隔热方面的进展将有助于降低家庭和工业的日常能源需求和费用。纳米技术以气凝胶的形式为该领域做出了贡献。使建筑物或材料隔热的另一种方法是利用反射面或智能面，对光强度的变化做出反应。纳米技术利用超薄层来帮助改进这些系统。利用基于纳米粒子的较轻、较强和较硬的材料可以降低能源、燃料和材料消耗，尤其是在运输部门。

现实的产品

沸石是一种自然产生或人造的有纳米级微孔的材料，几十年来一直被用作有效的催化剂。而且，目前以孔径在1纳米范围的晶体材料制成的催化剂辅料构成了每年300亿美元的产业的基础。石油工业已在利用纳米技术精炼石化产品。如今，在大多数小汽车里都能找到依靠纳米技术的催化转化器，它们用纳米级金属氧化物陶瓷涂层作为催化剂，增加表面面积，帮助消除废气中的有害气体，将它们转化成无害的氢氧化氮和二氧化碳，使汽车更有效地利用燃料。

未来的研究方向

为了使纳米技术在能源应用中产生更大的市场影响，需要进一步完善纳米结构材料：一些纳米材料（如纳米管）至今没有实现批量生产，关键问题在于适用于批量生产的较廉价和较易控制的方法的开发。纳米粒子的特性分布和配置常常是凭偶然的。需要更先进的方法来进行纳米粒子的受控制备和自组织的配置。就很多能源应用而言，纳米粒子的极其重要的特性是巨大的表面面积。因此，要研究具有更大表面面积的材料。此外，还需尺寸更小的多孔分布的膜应用材料。