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纳米材料在新能源领域中的应用学科 : 纳米材料班级 : 能科 131 班姓名 : 李阳学号 : 1308020200 教师 :目录摘要 . 31 绪论 .32 纳米技术与太阳能 32.1 纳米线太阳能电池 42.2 染料敏化纳米晶 Ti0 2 太阳能电池 42.3 纳米晶 / 聚合物电池 .52.4 纳米银增强聚合物太阳能电池 63 纳米技术与风能 63.1 应用于风机齿轮箱的纳米润滑添加剂 63.2 碳纳米管 / 高分子纳米复合材料在风机叶片中的应用研究 .73.3 纳米粒子增强基体树脂用于碳纤维风机叶片棒材 84 纳米材料与其他新能源 85 展望 9摘要能源与环境的可持续发展是当今世界人类社会的两个重要发展战略。 随着全球经济的发展，人们对能源的需求正在不断增长，新能源的发展势在必行。同时，纳米技术作为一种新科技需要一个良好的操作空间， 新能源领域由于投入大、 发展快、 起步低、 改革成本低所以十分适合诸多纳米技术的引进与发展。 因此本文将会结合笔者所属的新能源专业来介绍纳米材料的应用。 其中最被看好的是应用于太阳能电池， 提升太阳能电池的性能。 而在风能领域中， 虽然大多停留在实验室阶段， 但仍具有十分广阔的应用前景。 除此以外也有很多其他新能源的纳米应用，比如储氢电池等， 也是具有巨大价值的。 我们有足够的信心相信将来纳米与新能源将是强有力的结合，以全新的面貌改变我们的生活。关键词：纳米新能源、风能、太阳能、纳米材料1 绪论人类进入二十一世纪以来 , 和谐与发展已是永恒的主题 , 能源与环境已成为全球关注的焦点。 能源是人类活动的物质基础 , 环境是人类赖以生存的外部条件 , 解决能源短缺和环境污染问题是实现可持续发展、 提高人民生活质量和保障国家安全的迫切需要。 急剧增加的世界人口和不断推进的工业化进程更使得世界能源消耗量飙升。据预测 , 以目前的消耗速度 , 即使是地球储量较丰富的煤炭资源 , 在未来200 年内也将消耗殆尽。同时 , 以煤、石油、天然气为主的化石燃料的燃烧释放的大量的有害气体 (CO、 H2S、 SO2、 NOx 等 ) 、温室气体 (C02) 、粉尘及碳氢化合物等有害物质 , 又带来了酸雨、臭氧层破坏、热污染、放射性污染、 “温室效应”等诸多严重影响人体健康的环境问题。在能源危机和环境问题的双重压力下 , 太阳能、 风能等作为取之不尽、 用之不竭的清洁可再生能源引起了全世界研究人员的热切关注。 1然而， 这些目标的实现都离不开科学， 尤其是新材料方面的重大突破。 其中不得不谈到纳米技术， 科学家们关于新材料的设想越来越明晰了， 他们以纳米为单位来设计新材料， 在这样小的尺寸上， 新材料可以拥有自己的特性， 这些属性可以提供理想的功能 2，最近一系列研究表明，纳米材料在能源领域拥有广阔潜力。因此，诸多应用于新能源领域的纳米技术问世以及投入运作。 32 纳米技术与太阳能世界上最丰冨的可再生能源就是太阳能 , 而对太阳能高效利用最有前景的一种方式是太阳能电池。太阳能电池从发明到现在 , 已经有 200 多年了。然而太阳能电池在能源领域的应用却依然无法与传统能源所抗衡。 阻碍太阳能电池大规模应用的原因主要有两个 : 相对较低的光电转换效率和较高的制造成本。 4 为了解决这两个问题 , 目前有大量的研究工作围绕纳米结构的太阳能电池而展开 , 以提高太阳能电池的表现。 52.1 纳米线太阳能电池为了提高太阳能电池的转换效率并且降低太阳能电池的制造成本 , 最近几年 , 科研人员把注意力集中在纳米结构的太阳能电池上。 它们将传统的三维体材料电池 ,变成二维的纳米线太阳能电池 , 甚至是一维的量子点结构太阳能电池 , 以达到提升电池转换效率的目的。 2纳米线在太阳能电池上的应用主要有 3 种， (1) 纳米线结构作为减反层 ;(2) 轴向pn 结纳米线电池 ;(3 ) 径向 pn 结纳米线电池。 6纳米线最简单、最直接的应用就是制作在太阳能电池的表面 , 作为减反层来提高电池的效率。相比于传统的平板和薄膜太阳能电池 , 纳来线太阳能电池有优异的减反射效果。这是由于入射光在纳米线中会进行多次散射 , 形成“陷光效应” ,从而增加被吸收的几率。 并且纳米线对入射光的偏振方向 , 入射角度 , 入射波长也不敏感 , 导致纳来线对入射光有很强的捕获能力。 轴向 pn 结纳米线电池的设计与制作起源于叠层薄膜电池。它采用各种不同禁带宽度的子电池沿轴向堆叠形成。实际制作中 , 它是依靠不同子电池的掺杂不同或者制作材料不同而形成堆叠的pn 结。 轴向 pn 结纳米线电池现在的研究方向主要是在纳来线中制作叠层的量子以提高电池的效率。 6径向 pn 结的纳米线的结构如下图。2.2 染料敏化纳米晶 Ti0 2 太阳能电池新近发展起来的的染料敏化太阳能电池受到国内外研究者的普遍关注。 染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到上世纪 60 年代 , 德国科学家 Tributseh 等首次发现了染料吸附在半导体上在一定条件下能产生电流 , 成为光电化学电池的重要基础。 3然而 , 直到 1991 年以前 , 大多数染料敏化太阳能电池的光电转换效率都非常低 , 均小于 1%。 7 但是到了目前，染料敏化太阳能电池的光电转换效率己稳定在 10%以上。 8其中，纳米多孔二氧化钛的技术改变尤为重要，即采用了纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米纤维等不同形貌的纳米结构。 9它的成本为 Si 太阳能电池的 1/5 到1/10, 使用寿命可达 15 年以上。 该类太阳能电池具有结构、 工艺简单、 成本低廉、易于制造的优点 ; 其光电压是纳米二氧化铁在光照下的费米能级与电解质氧化 -还原电势之差 , 对光强度变化和温度变化不敏感 , 光稳定性好 , 对环境无污染 , 是一种非常有前途的清洁太阳能装置。 一旦染料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提高 , 封装问题、 使用寿命问题得到很好的解决 , 染料敏化太阳能电池很有可能在不久的将来成为一种具有竞争力的商业化产品。 10因此 , 染料敏化太阳能电池的研究对缓解当今世界的能源危机问题具有非常重要的现实意义。 11在染料敏化太阳能电池的膜电极中加入尺寸较大的二氧化铁颗粒 ( 如尺寸处在100 到 400 nm的一维结构材料、尺寸约 100 nm的二维结构材料和尺寸处在几百纳米到 1 的三维空心结构材料等 ) 后 , 这些尺寸较大的二氧化钛颗粒能够作为光散射中心 , 从而增加光在膜中的光程。 122.3 纳米晶 / 聚合物电池常见的纳米晶 / 聚合物太阳能电池是由阴阳极纳米晶与聚合物复合的光活性层阳极缓冲层等几部分组成， 其中， 聚合物用作电子给体和空穴传输介质， 纳米晶用作电子受体和电子传输介质其结构及能级图如图所示 13、在光照下，电池中的半导体纳米晶和聚合物同时吸收光子， 产生电子空穴对由于纳米晶具有较强的电子亲合力 ( 电势能 ) ，而聚合物电离能相对较低，两者之间的电势差形成电场 14，在该电场中， 电子空穴对分离形成载流子 ( 纳米晶受体上的电子和聚合物给体上的空穴 ) ， 分离后的电子和空穴分别沿着各自的路径运行到相应电极， 从而形成电流 $由于半导体纳米晶具有较高的电子亲合能和迁移率，且其比表面积大，与聚合物形成 p-n 结， 为电荷分离提供了充足的动力和界面， 利于提高电池效率。142.4 纳米银增强聚合物太阳能电池基于共轭聚合物给体材料 P3HT 和富勒烯衍生物受体材料 PCBM 共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了 P3HT:PCBM 功能层厚度 , 从而影响了器件对入射光的吸收 . 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收。通过在器件内引入金属纳米颗粒 , 可利用等离子体增强效应增加入射光子在功能层传输光程 . 对于聚合物太阳能电池而言 , 使用等离子体增强效应以高效利用太阳光意味着聚合物功能层可以进一步减薄。 15利用 FDTD 方法分析了纳米银增强型聚合物太阳能电池内光电场分布以及纳米银对器件光吸收的增强作用 , 发现 : 在聚合物功能层中加入纳米银颗粒后 , 由于纳米银对光的散射作用 , 器件内电场局域增强导致器件在 380— 700 波长范围内的光吸收均有所增强 . 通过对平板型和纳米银光吸收增强型聚合物太阳能的性能对比实验发现 : 掺杂纳米银的聚合物功能层最大光吸收在波长为 445 nm 处增强了 41.7%, 外量子效率在 520 nm 处提高了 17.9%. 3 纳米技术与风能现今的中国，风能发电量超越了核能，排在第三位，仅次于传统的火电与水电。风能的应用前景是十分广阔的， 据调查， 中国可利用风能发电量是用电量的两倍，十分充足。 而风电发展也只是起步， 还需要时间与不断的技术革新。 于是已经有很多研究人员已经开始利用纳米材料优异的性质来着手改进风能发电技术。 而取得的成果也是十分喜人的。3.1 应用于风机齿轮箱的纳米润滑添加剂风能转换为电能的风力涡轮机中， 齿轮和其他机械组件的一些关键组件， 它们的耐久性和效率都受到一些摩擦问题如微点蚀、磨损、擦伤、剥落受损。为了解决这些问题，在这项研究中，提出了将表面处理的组合方法（电解渗硼）配合纳米润滑油添加剂的使用。 氮化硼基固体润滑剂的制造和平面齿轮钢试样渗硼渗硼过程中使用了一种新型的电化学。 纳米润滑油添加剂及渗硼表面的组合测试其摩擦学性能， 主要是摩擦磨损， 在很宽的范围内使用一个滑动接触的线性往复接触条件。 试验后的表面进行分析， 探讨摩擦化学作用与钢表面摩擦膜的化学表征胶体润滑剂采用 XPS（ X射线光电子能谱） 。 磨损的特征还在于， 使用光学轮廓测量。渗硼表面增强的表面层的机械性能，提高耐磨性。此外，据观察，氮化硼一直分散在油中形成稳定的摩擦膜，以达到提高摩擦学性能的重要 17。有望提高耐久性和先进的风力发电机组传动系统部件效率。3.2 碳纳米管 / 高分子纳米复合材料在风机叶片中的应用研究碳纳米管 （ CNTs） 是一种管状一维纳米材料， 具有优异的力学、 电学、 热学性质。通过在高分子基体中添加少量的 CNTs,就可以使材料的性能得到非常显著的改善。例如在典型的叶片用环氧树脂中添加 0.5%的 CNTs,材料的导热率可以提高80%以上，碳纳米管 / 高分子纳米复合材料还具有独特的多功能性质。 18通过在风机叶片材料—纤维增强复合材料的组分 （纤维或基体） 中引进碳纳米材料， 可以提高基体的性质以及纤维和 FRP基体之间的界面作用， 进而为改善风机叶片的整体性能提供了可能。 19自从日本科学家年首次发现了碳纳米管以来，碳纳米管以质量轻、弹性模量高、抗拉强度高、韧性高，且长径比高达 100-1000nm。作为增强相用以提高复合材料的力学性能受到广泛关注。 风机叶片作为风力发电机组的关键核心部件， 它的性能至关重要。 随着叶片尺寸越来越大， 其重量和性能要求也越来越高， 它的选材、 设计和制造工艺直接影响风力发电机组的整体性能、 风能的利用率和风力发电的经济性。 17 风机叶片常用材料为玻璃纤维、环氧树脂碳纤维、环氧树脂复合材料或碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂混杂材料。若将碳纳米管作为增强相，添加到玻璃纤维或碳纤维复合材料中制成碳纳米管增强玻璃纤维或碳纤维复合材料，可大大改善现有风机叶片复合材料的力学性能。 203.3 纳米粒子增强基体树脂用于碳纤维风机叶片棒材据位于美国明尼苏达州圣堡罗的 3M公司报道，目前在复合材料市场复苏中，展售其公司的 3381 基体树脂。这是一种新设计的纳米粒子增强的环氧树脂，具有高性能，可同预浸料在工艺过程中相容，适用于复合材料。据该公司说，这类树脂持有独特的化学性，与一种专门的纳米粒子与添加剂相结合，形成 3M公司的配方， 避免韧性 / 弯曲度、 刚度 / 硬度传统的交替换位。 该树脂比标准环氧树脂密度高（按照 ASTM D792测定，该树脂密度为 1.48 g/cm3 ，标准树脂密度为 1.2 g/cm3） 。该树脂能减少线性收缩，收缩率为 0.58%，而标准环氧树脂的收缩率为1%。该树脂还可提高抗断裂韧性，几率达 50%，同时提高布氏硬度至 67，而标准环氧树脂的布氏硬度为 59。此外，填料有助于降低热膨胀系数 [ 该树脂热膨胀系数为 44.6 μ m/(m ·℃ ) ，而标准环氧树脂热膨胀系数为 59.5 μ m/(m ·℃ )] 。这种 3381 环氧树脂将安排商品化生产，主要为风机叶片碳纤维增强圆棒结构材料使用。 这种圆棒在长风机叶片上必须采用， 还包括层压板材。 该树脂在固化期间减少升温，能提高效率。 214 纳米材料与其他新能源随着科技的发展，纳米技术越来越多地应用在新能源电池中。由于使用纳米材料的新能源电池表现出不同于普通电池的优异性能， 因此越来越多的研究人员开始关注纳米技术在新能源电池领域的应用。 StoreDot 公司使用纳米技术开发出新型有机材料制成的电池可以实现比传统锂电池更快的充放电速度。 该公司称他们的技术可以让困扰传统锂电池的电阻问题得到极大改善。 5在核能方面，麻省理工的迈克尔·蒂米科维茨博士成功地研发出复合材料纳米化的设计模型。 通过该模型， 人们有望获得纳米复合材料具有其组成物质所没有的全新的材料特性。 这种物质可以代替不锈钢给核反应堆做内壁来延长核反应堆的使用寿命，并将使核燃料得到更高效的利用来提高反应堆的效率。 25 展望纳米材料正在不断发展中， 性能也日益优越。 与此同时， 新能源也在蓬勃地成长中， 终有一天会取代传统能源， 成为未来生活的第一支柱。 而有了纳米材料的助力，新能源一定会更好、更快、更富有生机地发展。我们相信，纳米科技终将在新能源领域大放光彩，同时也将会把新能源建设得更加富有创造性。参考文献1. 娜娜 . 技术与市场 2009, (09), 95. 2. 丁轶 . 山东大学学报 (理学版 ) 2011, (10), 121-133. 3. 中国农业科技导报 2014, (01), 156. 4. 王东卫 ; 赵强 ; 张潇娴 ; 杨丹娜 ; 李赛 . 化工新型材料 2012, (07), 4-6. 5. 孙宝 ; 郝彦忠 ; 李伟 ; 王禄 . 河北科技大学学报 2002, (02), 22-30+50. 6. 肖尧明 ; 吴季怀 ; 岳根田 ; 林建明 ; 黄妙良 ; 范乐庆 ; 兰章 . 物理化学学报 2012, (03), 578-584. 7. 桂雪峰 ; 许凯 ; 彭军 ; 梁晟源 ; 邢玉秀 ; 高树曦 ; 任圆圆 . 广州化学 2016, (01), 59-65. 8. 郑冰 ; 牛海军 ; 白续铎 . 化学进展 2008, (06), 828-840. 9. 杨术明 ; 李富友 ; 黄春辉 . 化学通报 2002, (05), 292-296. 10. Koo, H.-J.; Kim, Y. J.; Lee, Y. H.; Lee, W. I.; Kim, K.; Park, N.-G. Advanced Materials 2008, 20, (1), 195-+. 11. 刘荣 ; 孙继文 . 科技创新与品牌 2016, (02), 66-68. 12. Chao, C.-H.; Chang, C.-L.; Chan, C.-H.; Lien, S.-Y.; Weng, K.-W.; Yao, K.-S. Thin Solid Films 2010,518, (24), 7209-7212. 13. 王爱娟 ; 葛丽玲 ; 蒋百灵 ; 林叶 . 高校实验室工作研究 2011, (02), 37-38. 14. 付红红 ; 栾伟玲 ; 袁斌霞 ; 涂善东 . 化学进展 2012, (09), 1837-1844. 15. 李国龙 ; 何力军 ; 李进 ; 李学生 ; 梁森 ; 高忙忙 ; 袁海雯 . 物理学报 2013, (19), 416-421. 16. Gunen, A.; Ulutan, M.; Gok, M. S.; Kurt, B.; Orhan, N. Journal of the Balkan Tribological Association 2014, 20, (3), 362-379. 17. 内蒙古电力技术 2013, (05), 123. 18. 赵冬梅 ; 李振伟 ; 刘领弟 ; 张艳红 ; 任德财 ; 李坚 . 化学学报 2014, (02), 185-200. 19. 蔡健炜 . 碳纳米管 /氧化锰纳米复合电极材料的制备及其电容性质研究 . 硕士 , 陕西师范大学 , 2013. 20. 谢桂兰 ; 郭锦 ; 曹尉南 ; 田杰 . 玻璃钢 / 复合材料 2013, (Z3), 21-25. 21. 毕鸿章 . 高科技纤维与应用 2010, (06), 60.