納米材料在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、納米材料在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用學(xué)科：納米材料班級(jí)：能科131班姓名：李陽(yáng)學(xué)號(hào):教師：目錄摘要能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界人類社會(huì)的兩個(gè)重要發(fā)展戰(zhàn)略。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求正在不斷增長(zhǎng)，新能源的發(fā)展勢(shì)在必行。同時(shí)，納米技術(shù)作為一種新科技需要一個(gè)良好的操作空間，新能源領(lǐng)域由于投入大、發(fā)展快、起步低、改革成本低所以十分適合諸多納米技術(shù)的引進(jìn)與發(fā)展。因此本文將會(huì)結(jié)合筆者所屬的新能源專業(yè)來(lái)介紹納米材料的應(yīng)用其中最被看好的是應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，提升太陽(yáng)能電池的性能。而在風(fēng)能領(lǐng)域中，雖然大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，但仍具有十分廣闊的應(yīng)用前景。除此以外也有很多其他新能源的納米應(yīng)用，比如儲(chǔ)氫電池等，也是

2、具有巨大價(jià)值的。我們有足夠的信心相信將來(lái)納米與新能源將是強(qiáng)有力的結(jié)合，以全新的面貌改變我們的生活。關(guān)鍵詞：納米新能源、風(fēng)能、太陽(yáng)能、納米材料1緒論人類進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái),和諧與發(fā)展已是永恒的主題,能源與環(huán)境已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。能源是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ),環(huán)境是人類賴以生存的外部條件,解決能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量和保障國(guó)家安全的迫切需要。急劇增加的世界人口和不斷推進(jìn)的工業(yè)化進(jìn)程更使得世界能源消耗量飆升。據(jù)預(yù)測(cè),以目前的消耗速度,即使是地球儲(chǔ)量較豐富的煤炭資源,在未來(lái)200年內(nèi)也將消耗殆盡。同時(shí),以煤、石油、天然氣為主的化石燃料的燃燒釋放的大量的有害氣體(CO、HS

3、、SO、NO等)、溫室氣體(CO)、粉塵及碳?xì)浠衔锏?2x2有害物質(zhì),又帶來(lái)了酸雨、臭氧層破壞、熱污染、放射性污染、“溫室效應(yīng)”等諸多嚴(yán)重影響人體健康的環(huán)境問(wèn)題。在能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的雙重壓力下,太陽(yáng)能、風(fēng)能等作為取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源引起了全世界研究人員的熱切關(guān)注。1然而，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)科學(xué)，尤其是新材料方面的重大突破。其中不得不談到納米技術(shù)，科學(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來(lái)越明晰了，他們以納米為單位來(lái)設(shè)計(jì)新材料，在這樣小的尺寸上，新材料可以擁有自己的特性，這些屬性可以提供理想的功能2，最近一系列研究表明，納米材料在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。因此，諸多應(yīng)用于新能源領(lǐng)域的納米技術(shù)

4、問(wèn)世以及投入運(yùn)作。32納米技術(shù)與太陽(yáng)能世界上最豐冨的可再生能源就是太陽(yáng)能,而對(duì)太陽(yáng)能高效利用最有前景的一種方式是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池從發(fā)明到現(xiàn)在,已經(jīng)有2OO多年了。然而太陽(yáng)能電池在能源領(lǐng)域的應(yīng)用卻依然無(wú)法與傳統(tǒng)能源所抗衡。阻礙太陽(yáng)能電池大規(guī)模應(yīng)用的原因主要有兩個(gè):相對(duì)較低的光電轉(zhuǎn)換效率和較高的制造成本。4為了解決這兩個(gè)問(wèn)題,目前有大量的研究工作圍繞納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池而展開(kāi),以提高太陽(yáng)能電池的表現(xiàn)。52.1納米線太陽(yáng)能電池為了提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率并且降低太陽(yáng)能電池的制造成本,最近幾年,科研人員把注意力集中在納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池上。它們將傳統(tǒng)的三維體材料電池,變成二維的納米線太陽(yáng)能電池,

5、甚至是一維的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池,以達(dá)到提升電池轉(zhuǎn)換效率的目的。2納米線在太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用主要有3種，（1）納米線結(jié)構(gòu)作為減反層；（2）軸向pn結(jié)納米線電池；（3）徑向pn結(jié)納米線電池。6納米線最簡(jiǎn)單、最直接的應(yīng)用就是制作在太陽(yáng)能電池的表面,作為減反層來(lái)提高電池的效率。相比于傳統(tǒng)的平板和薄膜太陽(yáng)能電池,納來(lái)線太陽(yáng)能電池有優(yōu)異的減反射效果。這是由于入射光在納米線中會(huì)進(jìn)行多次散射,形成“陷光效應(yīng)”,從而增加被吸收的幾率。并且納米線對(duì)入射光的偏振方向,入射角度,入射波長(zhǎng)也不敏感,導(dǎo)致納來(lái)線對(duì)入射光有很強(qiáng)的捕獲能力。軸向pn結(jié)納米線電池的設(shè)計(jì)與制作起源于疊層薄膜電池。它采用各種不同禁帶寬度的子電池沿

6、軸向堆疊形成。實(shí)際制作中,它是依靠不同子電池的摻雜不同或者制作材料不同而形成堆疊的pn結(jié)。軸向pn結(jié)納米線電池現(xiàn)在的研究方向主要是在納來(lái)線中制作疊層的量子以提高電池的效率。6徑向pn結(jié)的納米線的結(jié)構(gòu)如下圖。2.2染料敏化納米晶TiO太陽(yáng)能電池2新近發(fā)展起來(lái)的的染料敏化太陽(yáng)能電池受到國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。染料敏化太陽(yáng)能電池的研究歷史可以追溯到上世紀(jì)60年代，德國(guó)科學(xué)家Tributseh等首次發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上在一定條件下能產(chǎn)生電流,成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。3然而,直到1991年以前,大多數(shù)染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率都非常低，均小于1%。7但是到了目前，染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)

7、換效率己穩(wěn)定在10%以上。8其中，納米多孔二氧化鈦的技術(shù)改變尤為重要，即采用了納米顆粒、納米管、納米線、納米纖維等不同形貌的納米結(jié)構(gòu)。9它的成本為Si太陽(yáng)能電池的1/5到1/10,使用壽命可達(dá)15年以上。該類太陽(yáng)能電池具有結(jié)構(gòu)、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、易于制造的優(yōu)點(diǎn)；其光電壓是納米二氧化鐵在光照下的費(fèi)米能級(jí)與電解質(zhì)氧化-還原電勢(shì)之差,對(duì)光強(qiáng)度變化和溫度變化不敏感,光穩(wěn)定性好,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,是一種非常有前途的清潔太陽(yáng)能裝置。一旦染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高,封裝問(wèn)題、使用壽命問(wèn)題得到很好的解決,染料敏化太陽(yáng)能電池很有可能在不久的將來(lái)成為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的商業(yè)化產(chǎn)品。因此,染料敏化太陽(yáng)能電

8、池的研究對(duì)緩解當(dāng)今世界的能源危機(jī)問(wèn)題具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。11在染料敏化太陽(yáng)能電池的膜電極中加入尺寸較大的二氧化鐵顆粒（如尺寸處在100到400nm的一維結(jié)構(gòu)材料、尺寸約100nm的二維結(jié)構(gòu)材料和尺寸處在幾百納米到1的三維空心結(jié)構(gòu)材料等）后,這些尺寸較大的二氧化鈦顆粒能夠作為光散射中心,從而增加光在膜中的光程。2. 3納米晶/聚合物電池常見(jiàn)的納米晶/聚合物太陽(yáng)能電池是由陰陽(yáng)極納米晶與聚合物復(fù)合的光活性層陽(yáng)極緩沖層等幾部分組成，其中，聚合物用作電子給體和空穴傳輸介質(zhì)，納米晶用作電子受體和電子傳輸介質(zhì)其結(jié)構(gòu)及能級(jí)圖如圖所示13、在光照下，電池中的半導(dǎo)體納米晶和聚合物同時(shí)吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對(duì)由

9、于納米晶具有較強(qiáng)的電子親合力（電勢(shì)能），而聚合物電離能相對(duì)較低，兩者之間的電勢(shì)差形成電場(chǎng)14，在該電場(chǎng)中，電子空穴對(duì)分離形成載流子（納米晶受體上的電子和聚合物給體上的空穴），分離后的電子和空穴分別沿著各自的路徑運(yùn)行到相應(yīng)電極，從而形成電流$由于半導(dǎo)體納米晶具有較高的電子親合能和遷移率，且其比表面積大，與聚合物形成p-n結(jié)，為電荷分離提供了充足的動(dòng)力和界面，利于提高電池效率。142.4納米銀增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)能電池基于共軛聚合物給體材料P3HT和富勒烯衍生物受體材料PCBM共混的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能電池因其空穴載流子遷移率低而限制了P3HT:PCBM功能層厚度，從而影響了器件對(duì)入射光的吸收.在

10、聚合物功能層內(nèi)引入金屬納米顆粒可以利用金屬表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)器件內(nèi)電場(chǎng)并改善器件的光吸收。通過(guò)在器件內(nèi)引入金屬納米顆粒，可利用等離子體增強(qiáng)效應(yīng)增加入射光子在功能層傳輸光程.對(duì)于聚合物太陽(yáng)能電池而言，使用等離子體增強(qiáng)效應(yīng)以高效利用太陽(yáng)光意味著聚合物功能層可以進(jìn)一步減薄。15利用FDTD方法分析了納米銀增強(qiáng)型聚合物太陽(yáng)能電池內(nèi)光電場(chǎng)分布以及納米銀對(duì)器件光吸收的增強(qiáng)作用，發(fā)現(xiàn):在聚合物功能層中加入納米銀顆粒后，由于納米銀對(duì)光的散射作用，器件內(nèi)電場(chǎng)局域增強(qiáng)導(dǎo)致器件在380700波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收均有所增強(qiáng).通過(guò)對(duì)平板型和納米銀光吸收增強(qiáng)型聚合物太陽(yáng)能的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):摻雜納米銀的聚合物功能層最大光

11、吸收在波長(zhǎng)為445nm處增強(qiáng)了41.7%,外量子效率在520nm處提高了17.9%.3納米技術(shù)與風(fēng)能現(xiàn)今的中國(guó)，風(fēng)能發(fā)電量超越了核能，排在第三位，僅次于傳統(tǒng)的火電與水電。風(fēng)能的應(yīng)用前景是十分廣闊的，據(jù)調(diào)查，中國(guó)可利用風(fēng)能發(fā)電量是用電量的兩倍，十分充足。而風(fēng)電發(fā)展也只是起步，還需要時(shí)間與不斷的技術(shù)革新。于是已經(jīng)有很多研究人員已經(jīng)開(kāi)始利用納米材料優(yōu)異的性質(zhì)來(lái)著手改進(jìn)風(fēng)能發(fā)電技術(shù)。而取得的成果也是十分喜人的。3.1應(yīng)用于風(fēng)機(jī)齒輪箱的納米潤(rùn)滑添加劑風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的風(fēng)力渦輪機(jī)中，齒輪和其他機(jī)械組件的一些關(guān)鍵組件，它們的耐久性和效率都受到一些摩擦問(wèn)題如微點(diǎn)蝕、磨損、擦傷、剝落受損。為了解決這些問(wèn)題，在這項(xiàng)

12、研究中，提出了將表面處理的組合方法（電解滲硼）配合納米潤(rùn)滑油添加劑的使用。氮化硼基固體潤(rùn)滑劑的制造和平面齒輪鋼試樣滲硼滲硼過(guò)程中使用了一種新型的電化學(xué)。納米潤(rùn)滑油添加劑及滲硼表面的組合測(cè)試其摩擦學(xué)性能，主要是摩擦磨損，在很寬的范圍內(nèi)使用一個(gè)滑動(dòng)接觸的線性往復(fù)接觸條件。試驗(yàn)后的表面進(jìn)行分析，探討摩擦化學(xué)作用與鋼表面摩擦膜的化學(xué)表征膠體潤(rùn)滑劑采用XPS（X射線光電子能譜）。磨損的特征還在于，使用光學(xué)輪廓測(cè)量。滲硼表面增強(qiáng)的表面層的機(jī)械性能，提高耐磨性。此外，據(jù)觀察，氮化硼一直分散在油中形成穩(wěn)定的摩擦膜，以達(dá)到提高摩擦學(xué)性能的重要17。有望提高耐久性和先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)部件效率。3.2碳納米

13、管/高分子納米復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用研究碳納米管(CNTs)是一種管狀一維納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)。通過(guò)在高分子基體中添加少量的CNTs,就可以使材料的性能得到非常顯著的改善。例如在典型的葉片用環(huán)氧樹(shù)脂中添加0.5%的CNTs,材料的導(dǎo)熱率可以提高80%以上，碳納米管/高分子納米復(fù)合材料還具有獨(dú)特的多功能性質(zhì)。18通過(guò)在風(fēng)機(jī)葉片材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的組分(纖維或基體)中引進(jìn)碳納米材料，可以提高基體的性質(zhì)以及纖維和FRP基體之間的界面作用，進(jìn)而為改善風(fēng)機(jī)葉片的整體性能提供了可能。19自從日本科學(xué)家年首次發(fā)現(xiàn)了碳納米管以來(lái)，碳納米管以質(zhì)量輕、彈性模量高、抗拉強(qiáng)度高、韌性高，且長(zhǎng)

14、徑比高達(dá)IOO-IOOOnm。作為增強(qiáng)相用以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能受到廣泛關(guān)注。風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵核心部件，它的性能至關(guān)重要。隨著葉片尺寸越來(lái)越大，其重量和性能要求也越來(lái)越高，它的選材、設(shè)計(jì)和制造工藝直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體性能、風(fēng)能的利用率和風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。17風(fēng)機(jī)葉片常用材料為玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料或碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂混雜材料。若將碳納米管作為增強(qiáng)相，添加到玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料中制成碳納米管增強(qiáng)玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料，可大大改善現(xiàn)有風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料的力學(xué)性能。20bjMicraMpcstnimircX。力也機(jī)呼圧*lruLl皿上VLjCdi

15、燦限*15叩詁sIjik-uu-Z口昇創(chuàng)23.3納米粒子增強(qiáng)基體樹(shù)脂用于碳纖維風(fēng)機(jī)葉片棒材據(jù)位于美國(guó)明尼蘇達(dá)州圣堡羅的3M公司報(bào)道，目前在復(fù)合材料市場(chǎng)復(fù)蘇中，展售其公司的3381基體樹(shù)脂。這是一種新設(shè)計(jì)的納米粒子增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂，具有高性能，可同預(yù)浸料在工藝過(guò)程中相容，適用于復(fù)合材料。據(jù)該公司說(shuō)，這類樹(shù)脂持有獨(dú)特的化學(xué)性，與一種專門(mén)的納米粒子與添加劑相結(jié)合，形成3M公司的配方，避免韌性/彎曲度、剛度/硬度傳統(tǒng)的交替換位。該樹(shù)脂比標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂密度高(按照ASTMD792測(cè)定，該樹(shù)脂密度為1.48g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)脂密度為1.2g/cm3)。該樹(shù)脂能減少線性收縮，收縮率為0.58%,而標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂的

16、收縮率為1%。該樹(shù)脂還可提高抗斷裂韌性，幾率達(dá)50%，同時(shí)提高布氏硬度至67，而標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂的布氏硬度為59。此外，填料有助于降低熱膨脹系數(shù)該樹(shù)脂熱膨脹系數(shù)為44.6Mm/(mC),而標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂熱膨脹系數(shù)為59.5Mm/(mC)。這種3381環(huán)氧樹(shù)脂將安排商品化生產(chǎn)，主要為風(fēng)機(jī)葉片碳纖維增強(qiáng)圓棒結(jié)構(gòu)材料使用。這種圓棒在長(zhǎng)風(fēng)機(jī)葉片上必須采用，還包括層壓板材。該樹(shù)脂在固化期間減少升溫，能提高效率。214納米材料與其他新能源隨著科技的發(fā)展，納米技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在新能源電池中。由于使用納米材料的新能源電池表現(xiàn)出不同于普通電池的優(yōu)異性能，因此越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注納米技術(shù)在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用。

17、StoreDot公司使用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)出新型有機(jī)材料制成的電池可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)鋰電池更快的充放電速度。該公司稱他們的技術(shù)可以讓困擾傳統(tǒng)鋰電池的電阻問(wèn)題得到極大改善。5在核能方面，麻省理工的邁克爾蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計(jì)模型。通過(guò)該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒(méi)有的全新的材料特性。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應(yīng)堆做內(nèi)壁來(lái)延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的使用壽命，并將使核燃料得到更高效的利用來(lái)提高反應(yīng)堆的效率。25展望納米材料正在不斷發(fā)展中，性能也日益優(yōu)越。與此同時(shí)，新能源也在蓬勃地成長(zhǎng)中，終有一天會(huì)取代傳統(tǒng)能源，成為未來(lái)生活的第一支柱。而有了納米材料的助力，新能源一定會(huì)更好、更

18、快、更富有生機(jī)地發(fā)展。我們相信，納米科技終將在新能源領(lǐng)域大放光彩，同時(shí)也將會(huì)把新能源建設(shè)得更加富有創(chuàng)造性。參考文獻(xiàn)1. 娜娜.技術(shù)與市場(chǎng)2009,(09),95.2. 丁軼.山東大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)2011,(10),121-133.3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)2014,(01),156.4. 王東衛(wèi);趙強(qiáng);張瀟嫻;楊丹娜;李賽.化工新型材料2012,(07),4-6.5. 孫寶;郝彥忠;李偉;王祿.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2002,(02),22-30+50.6. 肖堯明;吳季懷;岳根田;林建明;黃妙良;范樂(lè)慶;蘭章.物理化學(xué)學(xué)報(bào)2012,(03),578-584.7. 桂雪峰;許凱;彭軍;梁晟源;邢玉秀;高樹(shù)曦;任圓圓.廣州化學(xué)2016,(01),59-65.8. 鄭冰;牛海軍;白續(xù)鐸.化學(xué)進(jìn)展2008,(06),828-840.9. 楊術(shù)明;李富友;黃春輝.化學(xué)通報(bào)2002,(05),292-296.10. Koo,H.-J.;Kim,Y.J.;Lee,Y.H.;Lee,W.I.;Kim,K.;Park,N.-G.Adv